Ｎｂ３Ａｌ系超電導線材の製造方法
【課題】 細い直径の芯材を使用できると共に、長尺の積層物が得られる積層物を巻き取る方法を採用することによって、巻き取り時間の短縮を図ると共に、積層物の充填率を向上することのできるＮｂ3Ａｌ系超電導線材の製造方法を提供する。
【解決手段】 Ｎｂ3Ａｌ系超伝導線材をジェリロール法によって製造するに当たり、ＮｂまたはＮｂ基合金からなるＮｂ含有シートと、ＡｌまたはＡｌ合金からなるＡｌ含有シートとを重ね合わせて芯材に巻取った後、芯材を抜き取ってロール状積層物とし、その内部に同様に作成した１本または複数本のロール状積層物を、入り子状に挿入した一次超電導線材を用いて製造する。
【解決手段】 Ｎｂ3Ａｌ系超伝導線材をジェリロール法によって製造するに当たり、ＮｂまたはＮｂ基合金からなるＮｂ含有シートと、ＡｌまたはＡｌ合金からなるＡｌ含有シートとを重ね合わせて芯材に巻取った後、芯材を抜き取ってロール状積層物とし、その内部に同様に作成した１本または複数本のロール状積層物を、入り子状に挿入した一次超電導線材を用いて製造する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｎｂ3Ｓｎ系超電導線材をジェリロール法によって製造する方法に関するものであり、殊に超電導エネルギー貯蔵、核融合用コイル、高磁場発生用超電導マグネット等の素材として有用なＮｂ3Ａｌ系超電導線材を製造するための有用な方法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】
このジェリロール法では、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、銅または銅合金（或はＮｂまたはＮｂ合金）からなる芯材を中心として重ね巻きして積層物とし、ＣｕまたはＣｕ合金からなるパイプ内に挿入した後、縮径加工して一次超電導線材を作成し、これを同じ断面形状のＣｕ線と一緒にして複数本束ね、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。
【０００８】
ところで、超電導線材では、電流や外部磁場の変動による交流損失を防止するためにフィラメント径はできるだけ小さくする必要があるが、ジェリロール法では加工率を大きくしてフィラメント径を小さくしようとすると断線が多発し、長尺線材を得ることができなくなるという問題がある。こうしたことから、断線を発生しない程度に加工率を抑えつつフィラメント径を小さくするためには、原材料シートを巻き上げたロール状積層物の直径をできるだけ小さくする必要がある。また、線材断面積当たりの特性を低下させないためには、芯材の直径もロール状積層物の直径に合わせて小さくする必要がある。更に、歩留まりを上げるためには、ロール状積層物の長さを長くする必要がある。
【０００９】
即ち、ジェルロール法によって製造される超電導線材の特性を向上させるためには、長くて小さな直径の芯材のまわりに、幅の広いＮｂ含有シートとＡｌ含有シートを巻き付けることが必要とされる。その際、使用するＮｂ含有シートとＡｌ含有シートは圧延によって作製されており、実際作製可能なサイズは圧延方向にかなり長くできるが、圧延方向と垂直な方向のサイズは制限されることになる。そのため、ロール状積層物を形成する際には、Ｎｂ含有シートとＡｌ含有シートは、圧延方向と垂直な方向に巻き取る必要があるが、通常のような２枚のシートの巻き重ねでは積層数が制限されるために、臨界源流密度が低くなってしまうという問題がある。
【００１０】
こうしたことから、例えば特許文献１では、芯材のまわりに、Ｎｂ含有シートとＡｌ含有シートを圧延方向と垂直な方向に重ね巻きしてロール積層物を作製し、更に複数枚のＮｂ含有シートとＡｌ含有シートを前記ロール状積層物に挟み込んで接続し、重ね巻きすることによって積層数を増やす方法が提案されている。
【００１１】
こうした方法では、巻き始め部分でシート同士がずれやすく、巻き弛みが発生しやすくなるという問題がある。また、この技術では、その弛んだ芯材の周りに複数枚のシートを挟み込みによる接続をして更に巻き取りを続けるものであるが、このようにしてロール積層物を作製する方法では、その積層数（巻回数）が多くなるにつれて奇麗に巻き取ることが難しくなるという問題が生じる。また、その結果として、積層体の充填率が低下することになる。こうした充填率を上げるためには、巻き直しが行われることになるが、こうした巻き直しを行うと必然的に製造時間がかかってしまうという問題がある。
【００１２】
できるだけ巻き直しを回避して巻取り時間の短縮を図るためには、芯材の直径を太くせざるを得ないのであるが、こうした構成を採用した場合には、芯材断面積の線材断面積に対する比率が大きり、この芯材部分は臨界電流には寄与しないので、線材断面積当たりの臨界電流密度が小さくなってしまうという問題がある。
【特許文献１】特開平１０−２８９６２４号公報 特許請求の範囲等
【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、細い直径の芯材を使用できると共に、長尺の積層物が得られる積層物を巻き取る方法を採用することによって、巻き取り時間の短縮を図ると共に、積層物の充填率を向上することのできるＮｂ3Ａｌ系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】
【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系超伝導線材をジェリロール法によって製造するに当たり、ＮｂまたはＮｂ基合金からなるＮｂ含有シートと、ＡｌまたはＡｌ合金からなるＡｌ含有シートとを重ね合わせて芯材に巻取った後、芯材を抜き取ってロール状積層物とし、その内部に同様に作成した１本または複数本のロール状積層物を、入り子状に挿入した一次超電導線材を用いて製造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、上記の様な一次超電導線材を１本または複数本を束ねて、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も有用である。
【００１６】
また、本発明の製造方法においては、下記（１）〜（３）のいずれかの構成を採用することも有用である。
（１）ロール状積層物の内部に他のロール状積層物を入り子状に挿入した後に、内部に位 置するロール状積層物は、巻取り方向と逆の方向に巻戻しして外側のロール状積層 物の内側に張り付けるようにする。
（２）最外層に位置するロール状積層物は、Ｎｂ含有シートの巻回方向の長さをＡｌ含有 シートの巻回方向の長さよりも長くなるように形成しておき、このＮｂ含有シート の余剰部分が、巻回した後のロール状積層物の外周面を形成するように構成される ものである。
（３）最内層に形成するロール状積層物は、Ｎｂ含有シートの巻回方向の長さをＡｌ含有 シートの巻回方向の長さよりも長くなるように形成しておき、このＮｂ含有シート の余剰部分が、巻回した後のロール状積層物の内周面を形成するように構成される ものである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の製造方法では、Ｎｂ3Ａｌ系超伝導線材をジェリロール法によって製造するに際して、ＮｂまたはＮｂ基合金からなるＮｂ含有シートと、ＡｌまたはＡｌ合金からなるＡｌ含有シートとを重ね合わせて芯材に巻取った後、芯材を抜き取ってロール状積層物とし、その内部に同様に作成した１本または複数本のロール状積層物を、入り子状に挿入した一次超電導線材を用いることによって、ロール積層物の内側への厚みを増すことができ、希望する超電導特性を発揮する超電導線材が得られることになる。また上記の様な一次超電導線材を１本または複数本を束ねて、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、効果的に線材の多芯化を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明者らは、上記目的を達成するために様々な角度から検討した。その結果、上記のような構成を採用すれば、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。
【００１９】
本発明では、ＮｂまたはＮｂ基合金からなるＮｂ含有シートと、ＡｌまたはＡｌ合金からなるＡｌ含有シートとを重ね合わせて芯材に巻取る必要があるが、巻き取るときの状態（巻取り工程）を模式的に図１に示す。また、巻き取った後の積層物の概略断面部を図２に示す。
【００２０】
まず、図１（ａ）に示すように、Ｎｂ含有シート１ａとＡｌ含有シート１ｂを重ね合わせて、芯材１ｃに巻き取った後、芯材１ｃを抜き取ってロール状積層物１［図２（ａ）］を作製する。その際、Ｎｂ含有シート１ａの巻回方向長さを長くしておき［図１（ａ）中１ｄで示す］、ロール状積層物としたときの外側の拡散障壁層１ｄを形成する。即ち、最外層に位置するロール状積層物は、Ｎｂ含有シートの巻回方向の長さをＡｌ含有シートの巻回方向の長さよりも長くなるように形成しておき、このＮｂ含有シートの余剰部分が、巻回した後のロール状積層物の外周面（拡散障壁層１ｄ）を形成するように構成される。
【００２１】
但し、Ｎｂ含有材をパイプ状に加工したものとロール状積層物１の外側に配置して拡散障壁層１ｄを形成するようにしても良い。この場合には、Ｎｂ含有シートとＡｌ含有シートは巻回方向長さを同じにすれば良い。
【００２２】
次に、Ｎｂ含有シート２ａとＡｌ含有シート２ｂを重ね合わせて、芯材２ｃに巻き取った後［図１（ｂ）］、芯材２ｃを抜き取ってロール状積層物２［図２（ｂ）］を作製する。このロール積層物２は、その外径が前記ロール状積層物１の内径［芯材１cを抜き取った部分の径］と同程度若しくは小さくされる。そして、前記ロール状積層物１の内側にロール状積層物２を入り子状に挿入した後、芯材２ｃなどの端部をロール状積層物２の中央部空間に挿入して、図３に示すように巻き取り方向と逆の方向への巻き広げを行い、ロール状積層物１の内側にロール状積層物２を張り付ける様にする。
【００２３】
上記と同様にして、Ｎｂ含有シート３ａとＡｌ含有シート３ｂを重ね合わせて、芯材３ｃに巻き取った後［図１（ｃ）］、芯材３ｃを抜き取ってロール状積層物３［図２（ｃ）］を作製する。この際に、巻き込み内側に位置するＮｂ含有シート３ａの巻き込み方向長さをＡｌ含有シートよりも長くしておき、芯材３ｃに巻き取ったときにその内側面がＮｂ含有シートとなるように構成される。この内側のＮｂ含有シートは拡散障壁層３ｄを形成することになる。即ち、最内層に形成するロール状積層物は、Ｎｂ含有シートの巻回方向の長さをＡｌ含有シートの巻回方向の長さよりも長くなるように形成しておき、このＮｂ含有シートの余剰部分が、巻回した後のロール状積層物の内周面（拡散障壁層３ｄ）を形成するように構成される。
但し、拡散障壁層３ｄとしては、Ｎｂ含有材をパイプ状に加工したものをロール状積層物３の内側に配置して拡散障壁層３ｄを形成するようにしても良い。この場合には、Ｎｂ含有シートとＡｌ含有シートは巻回方向長さを同じにすれば良い。
【００２４】
このロール積層物３は、その外径が前記ロール状積層物２の内径［芯材１c抜き取った部における巻き広げを行った後の径］と同程度若しくは小さくされる。そして、前記ロール状積層物２の内側にロール状積層物２を入り子状に挿入した後、上記と同様にして巻き広げを行い、ロール状積層物２の内側にロール状積層物３を張り付ける様にする。最後に、Ｃｕ若しくはＣｕ合金（またはＮｂ若しくはＮｂ合金）からなる芯材４［図２（ｄ）］をロール状積層物３の内側に挿入することによって、図４に示すようなＮｂ／Ａｌ／Ｃｕ複合体５を作製する。
【００２５】
上記に示した例では、ロール状積層物を入り子状に挿入する工程が２回（即ち、３種類のロール状積層物１、２、３の組み合わせ）の構成を示したけれども、この工程数は１回以上であれば良く、その工程数に限定されるものではない。また、Ｎｂ含有シートによって拡散障壁層を形成する場合は、その工程数に係わらず、その最外側に位置するロール状積層物（前記ロール積層物１に相当）と、その最内側に位置するロール状積層物（前記ロール積層物３に相当）に拡散障壁層（前記拡散障壁層１ｄ、３ｄに相当）を形成する構成とすれば良い。
【００２６】
また、前記構成では、各ロール状積層物は一組のＮｂ含有シートとＡｌ含有シートを巻回する場合を示したが、各シートの厚みによっては、図５に示すように２組以上を重ねて巻回する構成を採用しても良い。尚図５では、前記図１と対応する部分には同一の参照符号が付してある。こうした構成を採用することによって、巻取り時間の短縮を図ることができる。
【００２７】
また最終的に挿入する芯材４は、芯材を入れるロール状積層物３の内径が巻き広げによって大きくなることを考慮して、芯材３ｃよりも少し大きめにしておくことが好ましい。こうした構成を採用することによって、Ｎｂ含有シートおよびＡｌ含有シートの充填率をより高めることができる。
【００２８】
このようにして得られた、Ｎｂ／Ａｌ／Ｃｕ複合体５を、図６に示すように、ＣｕまたはＣｕ合金製パイプ６内に挿入した後、押出し・伸線等材の縮径加工をしてＮｂ3Ａｌ系一次超電導線材を得ることができる。
【００２９】
次に、この一次超電導線材７を伸線によっ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、図７に示すようにＣｕまたはＣｕ合金製パイプ８内に挿入して、押出し加工および伸線加工を行い、図８に示すような断面形状のＮｂ3Ａｌ系多芯超電導素線９を得る。
【００３０】
最終的に、このＮｂ3Ａｌ系超電導線材９を比較的低い温度（例えば、７００〜８００℃程度）で熱処理することによって、Ｎｂ含有シートとＡｌ含有シート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。
【００３１】
上記の構成では、ロール状積層物２、３を入り子状に挿入する際に、巻き戻しを行い、その外側のロール状積層物１、２への張り付けを行うようにし、これによって各シートの充填率をより高めることができて好ましいのであるが、本発明の構成は必ずしもこうした巻き戻しをせずとも本発明の効果が発揮させるものである。即ち、本発明では、一次超電線材を構成するに際して、複数個のロール状積層物に分け、それを入り子に挿入するものであるので、一次超電線材を一つのロール状積層物で構成する場合や、複数枚のＮｂ含有シートとＡｌ含有シートをロール状積層物に挟みこむ場合等に比べて巻き緩みが発生しにくくなり、それだけ高い充填率を確保することができる。また最内方に位置するロール状積層物では、細い直径の芯材［前記図２（ｄ）］を使用しても効果的に巻き取ることができる。但し、各シートの充填率をより高めるという観点からすれば、上記のような巻き戻しを行うことが好ましい。
【００３２】
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】
【００３３】
実施例
２５０ｍｍ×１０００ｍｍ（圧延方向）のＮｂシートと、２００〜２５０ｍｍ×１０００ｍｍ（圧延方向）のＡｌシートを用いて、ＳＵＳ製芯棒に２枚重ねて巻き付けた後芯棒を抜き取り、ロール状積層物（大）を作製した。
【００３４】
一方、上記と同じ材質のＮｂシートとＡｌシートと３枚ずつ交互に重ねた複合シートを別のＳＵＳ製芯棒に巻き付け、前記ロール状積層物（大）の内部に入るような直径のロール状積層物（小）を作製し、入り子状に挿入した。その後、ＳＵＳ製芯棒端部をロール状積層物（小）内部に入れ、巻取り方向とは逆に回転させて巻き広げを行った。このようにして得られた複合ロール状積層物内部にＣｕ芯を挿入してＮｂ／Ａｌ／Ｃｕ複合体を作製し、これをＣｕパイプ内に挿入した後、伸線加工により六角断面形状の単芯超電導線材（一次超電導線材）とした。同様の六角断面形状のＣｕスペーサと一緒に１０２本束ねてＣｕパイプ内に挿入し、押出しおよび伸線加工を施し、直径：０．８ｍｍの多芯線を作製した。
【００３５】
この際の、ロール状積層物巻取り時間は０．５時間であった。また積層物の充填率は、非銅部当たりの臨界電流密度は４．２ｋ、１２Ｔで６９０Ａ／ｍｍ2であった。
【００３６】
比較例
２５０ｍｍ×１０００ｍｍ（圧延方向）のＮｂシートと、２００〜２５０ｍｍ×１０００ｍｍ（圧延方向）のＡｌシートを用いて、Ｃｕ製芯棒に２枚重ねて巻き付けた後、前記と同様のＮｂシートとＡｌシートを３枚ずつ交互に重ねた複合シートを挟み込みにより継ぎ足し、続けて巻き取りを行った。
【００３７】
このようにして得られたＮｂ／Ａｌ／Ｃｕ複合体をＣｕパイプ内に挿入した後、伸線加工によって六角断形状の単一芯線超電導線材（一次超電導線材）とした。同様の六角断面形状のＣｕスペーサと一緒に１０２本束ねてＣｕパイプ内に挿入し、押出しおよび伸線加工を施し、直径：０．８ｍｍの多芯線を作製した。
【００３８】
この際の、ロール状積層物巻取りには、巻取りずれを直すために巻き直しを行う必要があり、その巻取り所要時間は１．５時間であった。また作製したＮｂ３Ａｌ多芯超電導線材を熱処理した臨界電流密度を測定したところ、非銅部当たりの臨界電流密度は４．２ｋ、１２Ｔで６６０Ａ／ｍｍ2であった。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明における巻取り工程を模式的に示した説明図である。
【図２】各ロール状積層物の断面構造を示す説明図である。
【図３】本発明における巻き広げ工程を説明する図である。
【図４】本発明で作製される複合積層物の断面構造を示す説明図である。
【図５】本発明の巻き取り工程において、複数枚の重ねシートを使用する場合の例を模式的に示した説明図である。
【図６】本発明で作製されるＮｂ3Ａｌ系一次超電導線材の断面説明図である。
【図７】本発明のＮｂ3Ａｌ系多芯超電導線材の組立て模式図である。
【図８】本発明で作製されるＮｂ3Ａｌ系多芯超電導線材の一構成例を示す概略断面図である。
【符号の説明】
【００４０】
１ａ，２ａ，３ａ Ｎｂ含有シート
１ｂ，２ｂ，３ｂ Ａｌ含有シート
１ｃ，２ｃ，３ｃ，４ 芯材
１ｄ，３ｄ 拡散障壁層
１，２，３ ロール状積層物
５ Ｎｂ／Ａｌ／Ｃｕ複合体
６，８ ＣｕまたはＣｕ合金パイプ
７ Ｎｂ3Ａｌ系一次超電導体
９ Ｎｂ3Ａｌ系多芯超電導線材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｎｂ3Ｓｎ系超電導線材をジェリロール法によって製造する方法に関するものであり、殊に超電導エネルギー貯蔵、核融合用コイル、高磁場発生用超電導マグネット等の素材として有用なＮｂ3Ａｌ系超電導線材を製造するための有用な方法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】
このジェリロール法では、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、銅または銅合金（或はＮｂまたはＮｂ合金）からなる芯材を中心として重ね巻きして積層物とし、ＣｕまたはＣｕ合金からなるパイプ内に挿入した後、縮径加工して一次超電導線材を作成し、これを同じ断面形状のＣｕ線と一緒にして複数本束ね、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。
【０００８】
ところで、超電導線材では、電流や外部磁場の変動による交流損失を防止するためにフィラメント径はできるだけ小さくする必要があるが、ジェリロール法では加工率を大きくしてフィラメント径を小さくしようとすると断線が多発し、長尺線材を得ることができなくなるという問題がある。こうしたことから、断線を発生しない程度に加工率を抑えつつフィラメント径を小さくするためには、原材料シートを巻き上げたロール状積層物の直径をできるだけ小さくする必要がある。また、線材断面積当たりの特性を低下させないためには、芯材の直径もロール状積層物の直径に合わせて小さくする必要がある。更に、歩留まりを上げるためには、ロール状積層物の長さを長くする必要がある。
【０００９】
即ち、ジェルロール法によって製造される超電導線材の特性を向上させるためには、長くて小さな直径の芯材のまわりに、幅の広いＮｂ含有シートとＡｌ含有シートを巻き付けることが必要とされる。その際、使用するＮｂ含有シートとＡｌ含有シートは圧延によって作製されており、実際作製可能なサイズは圧延方向にかなり長くできるが、圧延方向と垂直な方向のサイズは制限されることになる。そのため、ロール状積層物を形成する際には、Ｎｂ含有シートとＡｌ含有シートは、圧延方向と垂直な方向に巻き取る必要があるが、通常のような２枚のシートの巻き重ねでは積層数が制限されるために、臨界源流密度が低くなってしまうという問題がある。
【００１０】
こうしたことから、例えば特許文献１では、芯材のまわりに、Ｎｂ含有シートとＡｌ含有シートを圧延方向と垂直な方向に重ね巻きしてロール積層物を作製し、更に複数枚のＮｂ含有シートとＡｌ含有シートを前記ロール状積層物に挟み込んで接続し、重ね巻きすることによって積層数を増やす方法が提案されている。
【００１１】
こうした方法では、巻き始め部分でシート同士がずれやすく、巻き弛みが発生しやすくなるという問題がある。また、この技術では、その弛んだ芯材の周りに複数枚のシートを挟み込みによる接続をして更に巻き取りを続けるものであるが、このようにしてロール積層物を作製する方法では、その積層数（巻回数）が多くなるにつれて奇麗に巻き取ることが難しくなるという問題が生じる。また、その結果として、積層体の充填率が低下することになる。こうした充填率を上げるためには、巻き直しが行われることになるが、こうした巻き直しを行うと必然的に製造時間がかかってしまうという問題がある。
【００１２】
できるだけ巻き直しを回避して巻取り時間の短縮を図るためには、芯材の直径を太くせざるを得ないのであるが、こうした構成を採用した場合には、芯材断面積の線材断面積に対する比率が大きり、この芯材部分は臨界電流には寄与しないので、線材断面積当たりの臨界電流密度が小さくなってしまうという問題がある。
【特許文献１】特開平１０−２８９６２４号公報 特許請求の範囲等
【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、細い直径の芯材を使用できると共に、長尺の積層物が得られる積層物を巻き取る方法を採用することによって、巻き取り時間の短縮を図ると共に、積層物の充填率を向上することのできるＮｂ3Ａｌ系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】
【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系超伝導線材をジェリロール法によって製造するに当たり、ＮｂまたはＮｂ基合金からなるＮｂ含有シートと、ＡｌまたはＡｌ合金からなるＡｌ含有シートとを重ね合わせて芯材に巻取った後、芯材を抜き取ってロール状積層物とし、その内部に同様に作成した１本または複数本のロール状積層物を、入り子状に挿入した一次超電導線材を用いて製造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、上記の様な一次超電導線材を１本または複数本を束ねて、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も有用である。
【００１６】
また、本発明の製造方法においては、下記（１）〜（３）のいずれかの構成を採用することも有用である。
（１）ロール状積層物の内部に他のロール状積層物を入り子状に挿入した後に、内部に位 置するロール状積層物は、巻取り方向と逆の方向に巻戻しして外側のロール状積層 物の内側に張り付けるようにする。
（２）最外層に位置するロール状積層物は、Ｎｂ含有シートの巻回方向の長さをＡｌ含有 シートの巻回方向の長さよりも長くなるように形成しておき、このＮｂ含有シート の余剰部分が、巻回した後のロール状積層物の外周面を形成するように構成される ものである。
（３）最内層に形成するロール状積層物は、Ｎｂ含有シートの巻回方向の長さをＡｌ含有 シートの巻回方向の長さよりも長くなるように形成しておき、このＮｂ含有シート の余剰部分が、巻回した後のロール状積層物の内周面を形成するように構成される ものである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の製造方法では、Ｎｂ3Ａｌ系超伝導線材をジェリロール法によって製造するに際して、ＮｂまたはＮｂ基合金からなるＮｂ含有シートと、ＡｌまたはＡｌ合金からなるＡｌ含有シートとを重ね合わせて芯材に巻取った後、芯材を抜き取ってロール状積層物とし、その内部に同様に作成した１本または複数本のロール状積層物を、入り子状に挿入した一次超電導線材を用いることによって、ロール積層物の内側への厚みを増すことができ、希望する超電導特性を発揮する超電導線材が得られることになる。また上記の様な一次超電導線材を１本または複数本を束ねて、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、効果的に線材の多芯化を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明者らは、上記目的を達成するために様々な角度から検討した。その結果、上記のような構成を採用すれば、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。
【００１９】
本発明では、ＮｂまたはＮｂ基合金からなるＮｂ含有シートと、ＡｌまたはＡｌ合金からなるＡｌ含有シートとを重ね合わせて芯材に巻取る必要があるが、巻き取るときの状態（巻取り工程）を模式的に図１に示す。また、巻き取った後の積層物の概略断面部を図２に示す。
【００２０】
まず、図１（ａ）に示すように、Ｎｂ含有シート１ａとＡｌ含有シート１ｂを重ね合わせて、芯材１ｃに巻き取った後、芯材１ｃを抜き取ってロール状積層物１［図２（ａ）］を作製する。その際、Ｎｂ含有シート１ａの巻回方向長さを長くしておき［図１（ａ）中１ｄで示す］、ロール状積層物としたときの外側の拡散障壁層１ｄを形成する。即ち、最外層に位置するロール状積層物は、Ｎｂ含有シートの巻回方向の長さをＡｌ含有シートの巻回方向の長さよりも長くなるように形成しておき、このＮｂ含有シートの余剰部分が、巻回した後のロール状積層物の外周面（拡散障壁層１ｄ）を形成するように構成される。
【００２１】
但し、Ｎｂ含有材をパイプ状に加工したものとロール状積層物１の外側に配置して拡散障壁層１ｄを形成するようにしても良い。この場合には、Ｎｂ含有シートとＡｌ含有シートは巻回方向長さを同じにすれば良い。
【００２２】
次に、Ｎｂ含有シート２ａとＡｌ含有シート２ｂを重ね合わせて、芯材２ｃに巻き取った後［図１（ｂ）］、芯材２ｃを抜き取ってロール状積層物２［図２（ｂ）］を作製する。このロール積層物２は、その外径が前記ロール状積層物１の内径［芯材１cを抜き取った部分の径］と同程度若しくは小さくされる。そして、前記ロール状積層物１の内側にロール状積層物２を入り子状に挿入した後、芯材２ｃなどの端部をロール状積層物２の中央部空間に挿入して、図３に示すように巻き取り方向と逆の方向への巻き広げを行い、ロール状積層物１の内側にロール状積層物２を張り付ける様にする。
【００２３】
上記と同様にして、Ｎｂ含有シート３ａとＡｌ含有シート３ｂを重ね合わせて、芯材３ｃに巻き取った後［図１（ｃ）］、芯材３ｃを抜き取ってロール状積層物３［図２（ｃ）］を作製する。この際に、巻き込み内側に位置するＮｂ含有シート３ａの巻き込み方向長さをＡｌ含有シートよりも長くしておき、芯材３ｃに巻き取ったときにその内側面がＮｂ含有シートとなるように構成される。この内側のＮｂ含有シートは拡散障壁層３ｄを形成することになる。即ち、最内層に形成するロール状積層物は、Ｎｂ含有シートの巻回方向の長さをＡｌ含有シートの巻回方向の長さよりも長くなるように形成しておき、このＮｂ含有シートの余剰部分が、巻回した後のロール状積層物の内周面（拡散障壁層３ｄ）を形成するように構成される。
但し、拡散障壁層３ｄとしては、Ｎｂ含有材をパイプ状に加工したものをロール状積層物３の内側に配置して拡散障壁層３ｄを形成するようにしても良い。この場合には、Ｎｂ含有シートとＡｌ含有シートは巻回方向長さを同じにすれば良い。
【００２４】
このロール積層物３は、その外径が前記ロール状積層物２の内径［芯材１c抜き取った部における巻き広げを行った後の径］と同程度若しくは小さくされる。そして、前記ロール状積層物２の内側にロール状積層物２を入り子状に挿入した後、上記と同様にして巻き広げを行い、ロール状積層物２の内側にロール状積層物３を張り付ける様にする。最後に、Ｃｕ若しくはＣｕ合金（またはＮｂ若しくはＮｂ合金）からなる芯材４［図２（ｄ）］をロール状積層物３の内側に挿入することによって、図４に示すようなＮｂ／Ａｌ／Ｃｕ複合体５を作製する。
【００２５】
上記に示した例では、ロール状積層物を入り子状に挿入する工程が２回（即ち、３種類のロール状積層物１、２、３の組み合わせ）の構成を示したけれども、この工程数は１回以上であれば良く、その工程数に限定されるものではない。また、Ｎｂ含有シートによって拡散障壁層を形成する場合は、その工程数に係わらず、その最外側に位置するロール状積層物（前記ロール積層物１に相当）と、その最内側に位置するロール状積層物（前記ロール積層物３に相当）に拡散障壁層（前記拡散障壁層１ｄ、３ｄに相当）を形成する構成とすれば良い。
【００２６】
また、前記構成では、各ロール状積層物は一組のＮｂ含有シートとＡｌ含有シートを巻回する場合を示したが、各シートの厚みによっては、図５に示すように２組以上を重ねて巻回する構成を採用しても良い。尚図５では、前記図１と対応する部分には同一の参照符号が付してある。こうした構成を採用することによって、巻取り時間の短縮を図ることができる。
【００２７】
また最終的に挿入する芯材４は、芯材を入れるロール状積層物３の内径が巻き広げによって大きくなることを考慮して、芯材３ｃよりも少し大きめにしておくことが好ましい。こうした構成を採用することによって、Ｎｂ含有シートおよびＡｌ含有シートの充填率をより高めることができる。
【００２８】
このようにして得られた、Ｎｂ／Ａｌ／Ｃｕ複合体５を、図６に示すように、ＣｕまたはＣｕ合金製パイプ６内に挿入した後、押出し・伸線等材の縮径加工をしてＮｂ3Ａｌ系一次超電導線材を得ることができる。
【００２９】
次に、この一次超電導線材７を伸線によっ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、図７に示すようにＣｕまたはＣｕ合金製パイプ８内に挿入して、押出し加工および伸線加工を行い、図８に示すような断面形状のＮｂ3Ａｌ系多芯超電導素線９を得る。
【００３０】
最終的に、このＮｂ3Ａｌ系超電導線材９を比較的低い温度（例えば、７００〜８００℃程度）で熱処理することによって、Ｎｂ含有シートとＡｌ含有シート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。
【００３１】
上記の構成では、ロール状積層物２、３を入り子状に挿入する際に、巻き戻しを行い、その外側のロール状積層物１、２への張り付けを行うようにし、これによって各シートの充填率をより高めることができて好ましいのであるが、本発明の構成は必ずしもこうした巻き戻しをせずとも本発明の効果が発揮させるものである。即ち、本発明では、一次超電線材を構成するに際して、複数個のロール状積層物に分け、それを入り子に挿入するものであるので、一次超電線材を一つのロール状積層物で構成する場合や、複数枚のＮｂ含有シートとＡｌ含有シートをロール状積層物に挟みこむ場合等に比べて巻き緩みが発生しにくくなり、それだけ高い充填率を確保することができる。また最内方に位置するロール状積層物では、細い直径の芯材［前記図２（ｄ）］を使用しても効果的に巻き取ることができる。但し、各シートの充填率をより高めるという観点からすれば、上記のような巻き戻しを行うことが好ましい。
【００３２】
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】
【００３３】
実施例
２５０ｍｍ×１０００ｍｍ（圧延方向）のＮｂシートと、２００〜２５０ｍｍ×１０００ｍｍ（圧延方向）のＡｌシートを用いて、ＳＵＳ製芯棒に２枚重ねて巻き付けた後芯棒を抜き取り、ロール状積層物（大）を作製した。
【００３４】
一方、上記と同じ材質のＮｂシートとＡｌシートと３枚ずつ交互に重ねた複合シートを別のＳＵＳ製芯棒に巻き付け、前記ロール状積層物（大）の内部に入るような直径のロール状積層物（小）を作製し、入り子状に挿入した。その後、ＳＵＳ製芯棒端部をロール状積層物（小）内部に入れ、巻取り方向とは逆に回転させて巻き広げを行った。このようにして得られた複合ロール状積層物内部にＣｕ芯を挿入してＮｂ／Ａｌ／Ｃｕ複合体を作製し、これをＣｕパイプ内に挿入した後、伸線加工により六角断面形状の単芯超電導線材（一次超電導線材）とした。同様の六角断面形状のＣｕスペーサと一緒に１０２本束ねてＣｕパイプ内に挿入し、押出しおよび伸線加工を施し、直径：０．８ｍｍの多芯線を作製した。
【００３５】
この際の、ロール状積層物巻取り時間は０．５時間であった。また積層物の充填率は、非銅部当たりの臨界電流密度は４．２ｋ、１２Ｔで６９０Ａ／ｍｍ2であった。
【００３６】
比較例
２５０ｍｍ×１０００ｍｍ（圧延方向）のＮｂシートと、２００〜２５０ｍｍ×１０００ｍｍ（圧延方向）のＡｌシートを用いて、Ｃｕ製芯棒に２枚重ねて巻き付けた後、前記と同様のＮｂシートとＡｌシートを３枚ずつ交互に重ねた複合シートを挟み込みにより継ぎ足し、続けて巻き取りを行った。
【００３７】
このようにして得られたＮｂ／Ａｌ／Ｃｕ複合体をＣｕパイプ内に挿入した後、伸線加工によって六角断形状の単一芯線超電導線材（一次超電導線材）とした。同様の六角断面形状のＣｕスペーサと一緒に１０２本束ねてＣｕパイプ内に挿入し、押出しおよび伸線加工を施し、直径：０．８ｍｍの多芯線を作製した。
【００３８】
この際の、ロール状積層物巻取りには、巻取りずれを直すために巻き直しを行う必要があり、その巻取り所要時間は１．５時間であった。また作製したＮｂ３Ａｌ多芯超電導線材を熱処理した臨界電流密度を測定したところ、非銅部当たりの臨界電流密度は４．２ｋ、１２Ｔで６６０Ａ／ｍｍ2であった。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明における巻取り工程を模式的に示した説明図である。
【図２】各ロール状積層物の断面構造を示す説明図である。
【図３】本発明における巻き広げ工程を説明する図である。
【図４】本発明で作製される複合積層物の断面構造を示す説明図である。
【図５】本発明の巻き取り工程において、複数枚の重ねシートを使用する場合の例を模式的に示した説明図である。
【図６】本発明で作製されるＮｂ3Ａｌ系一次超電導線材の断面説明図である。
【図７】本発明のＮｂ3Ａｌ系多芯超電導線材の組立て模式図である。
【図８】本発明で作製されるＮｂ3Ａｌ系多芯超電導線材の一構成例を示す概略断面図である。
【符号の説明】
【００４０】
１ａ，２ａ，３ａ Ｎｂ含有シート
１ｂ，２ｂ，３ｂ Ａｌ含有シート
１ｃ，２ｃ，３ｃ，４ 芯材
１ｄ，３ｄ 拡散障壁層
１，２，３ ロール状積層物
５ Ｎｂ／Ａｌ／Ｃｕ複合体
６，８ ＣｕまたはＣｕ合金パイプ
７ Ｎｂ3Ａｌ系一次超電導体
９ Ｎｂ3Ａｌ系多芯超電導線材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｎｂ3Ａｌ系超電導線材をジェリ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含有シートとを重ね合わせて芯材に巻取った後、芯材を抜き取ってロール状積層物とし、その内部に同様に作成した１本または複数本のロール状積層物を、入り子状に挿入した一次超電導線材を用いて製造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】
請求項１に記載の一次超電導線材を１本または複数本を束ねて、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】
ロール状積層物の内部に他のロール状積層物を入り子状に挿入した後に、内部に位置するロール状積層物は、巻取り方向と逆の方向に巻戻しして外側のロール状積層物の内側に張り付けるようにする請求項１または２に記載のＮｂ3Ａｌ系超電導線材の製造方法。
【請求項４】
最外層に位置するロール状積層物は、Ｎｂ含有シートの巻回方向の長さをＡｌ含有シートの巻回方向の長さよりも長くなるように形成しておき、このＮｂ含有シートの余剰部分が、巻回した後のロール状積層物の外周面を形成するように構成されるものである請求項１〜３のいずれかに記載のＮｂ3Ａｌ系超電導線材の製造方法。
【請求項５】
最内層に形成するロール状積層物は、Ｎｂ含有シートの巻回方向の長さをＡｌ含有シートの巻回方向の長さよりも長くなるように形成しておき、このＮｂ含有シートの余剰部分が、巻回した後のロール状積層物の内周面を形成するように構成されるものである請求項１〜４のいずれかに記載のＮｂ3Ａｌ系超電導線材の製造方法。
【請求項１】
Ｎｂ3Ａｌ系超電導線材をジェリ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含有シートとを重ね合わせて芯材に巻取った後、芯材を抜き取ってロール状積層物とし、その内部に同様に作成した１本または複数本のロール状積層物を、入り子状に挿入した一次超電導線材を用いて製造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】
請求項１に記載の一次超電導線材を１本または複数本を束ねて、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】
ロール状積層物の内部に他のロール状積層物を入り子状に挿入した後に、内部に位置するロール状積層物は、巻取り方向と逆の方向に巻戻しして外側のロール状積層物の内側に張り付けるようにする請求項１または２に記載のＮｂ3Ａｌ系超電導線材の製造方法。
【請求項４】
最外層に位置するロール状積層物は、Ｎｂ含有シートの巻回方向の長さをＡｌ含有シートの巻回方向の長さよりも長くなるように形成しておき、このＮｂ含有シートの余剰部分が、巻回した後のロール状積層物の外周面を形成するように構成されるものである請求項１〜３のいずれかに記載のＮｂ3Ａｌ系超電導線材の製造方法。
【請求項５】
最内層に形成するロール状積層物は、Ｎｂ含有シートの巻回方向の長さをＡｌ含有シートの巻回方向の長さよりも長くなるように形成しておき、このＮｂ含有シートの余剰部分が、巻回した後のロール状積層物の内周面を形成するように構成されるものである請求項１〜４のいずれかに記載のＮｂ3Ａｌ系超電導線材の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００６−４８７０（Ｐ２００６−４８７０Ａ）
【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２００４−１８２６０９（Ｐ２００４−１８２６０９）
【出願日】平成１６年６月２１日（２００４．６．２１）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１月５日（２００６．１．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年６月２１日（２００４．６．２１）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
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