Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材の製造方法およびそのための前駆体
【課題】減面加工時における加工性を良好にすると共に、断面構成を適切にすることによって、カップリングに起因する交流ロスの低減を図り、良好な超電導特性を発揮できるようなＮｂ3Ｓｎ超電導線材製造用前駆体の構成、およびこうした前駆体を用いたＮｂ3Ｓｎ超電導線材の製造方法を提供する。
【解決手段】Ｃｕ−Ｓｎ基合金中に、複数本のＮｂまたはＮｂ基合金からなるＮｂ基フィラメントが配置された超電導コア部と、その外周にＮｂからなる拡散障壁層および安定化銅層を有する超電導線材製造用前駆体において、前記拡散障壁層の内周面から、前記超電導コア部の最外層部に存在するＮｂ基フィラメントまでの距離を、減面加工後の最終形状で２μｍ以上に設定したものである。
【解決手段】Ｃｕ−Ｓｎ基合金中に、複数本のＮｂまたはＮｂ基合金からなるＮｂ基フィラメントが配置された超電導コア部と、その外周にＮｂからなる拡散障壁層および安定化銅層を有する超電導線材製造用前駆体において、前記拡散障壁層の内周面から、前記超電導コア部の最外層部に存在するＮｂ基フィラメントまでの距離を、減面加工後の最終形状で２μｍ以上に設定したものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材をブロンズ法や内部拡散法によって製造する方法、およびこうしたＮｂ3Ｓｎ超電導線材を製造するための前駆体（超電導線材製造用前駆体）に関するものであり、殊に高磁場発生用超電導マグネットの素材として有用なＮｂ3Ｓｎ超電導線材を製造する為の技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
超電導線材が実用化されている分野のうち、高分解能核磁気共鳴（ＮＭＲ）分析装置に用いられる超電導マグネットについては発生磁場が高いほど分解能が高まることから、超電導マグネットは近年ますます高磁場化の傾向にある。また、核融合炉に用いられるマグネットも発生磁場が高くなると、閉じ込めることのできるプラズマのエネルギーが大きくなるため、高磁場化の傾向にある。
【０００３】
このような高磁場発生用超電導マグネットに使用される超電導線材としては、Ｎｂ3Ｓｎ線材が実用化されており、このＮｂ3Ｓｎ超電導線材の製造には主にブロンズ法が採用されている。このブロンズ法では、図１（Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材製造用前駆体の模式図）に示すように、Ｃｕ−Ｓｎ基合金（ブロンズ）マトリクス１中に複数（図では７）のＮｂ若しくはＮｂ基合金からなる芯材２を埋設して複合線材が構成される。この複合材を伸線加工することによって上記芯材２を細径化してフィラメント（以下、Ｎｂ基フィラメントと呼ぶ）とし、このＮｂ基フィラメントとブロンズとからなる複合線材を複数束ねて線材群となし、その外周に安定化の為の銅（安定化銅層７）を配置した後伸線加工する。
【０００４】
また上記のような前駆体においては、図１に示すように、Ｃｕ−Ｓｎ基合金（ブロンズ）マトリクス１中に複数のＮｂ基フィラメントが配置された部分（以下、「超電導コア部」と呼ぶことがある）とその外部の安定化銅７の間に拡散障壁層６を配置した構成とするのが一般的である。この拡散障壁層６は、例えばＮｂ層またはＴａ層、或いはＮｂ層とＴａ層の２層からなり（例えば特許文献１）、拡散熱処理の際に超電導マトリクス部内のＳｎが外部に拡散してしまうことを防止し、安定化銅へのＳｎの拡散を抑える作用を発揮するものである。
【０００５】
上記のような前駆体（伸線加工後の線材群）を６００℃以上８００℃以下程度で拡散熱処理（Ｎｂ3Ｓｎ生成熱処理）をすることにより、Ｎｂ基フィラメントとブロンズマトリクスの界面にＮｂ3Ｓｎ化合物層を生成する方法である。図１においては、説明の便宜上、Ｎｂ基フィラメントは７本のものを示したが、実際には数１００本から数万本を配置することが一般的である。
【０００６】
Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材を製造する方法としては、上記ブロンズ法の他に、内部拡散法も知られている。この内部拡散法（内部Ｓｎ法とも呼ばれる）では、図２（Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材製造用前駆体の模式図）に示すように、ＣｕまたはＣｕ基合金（以下、「Ｃｕ母材」と呼ぶことがある）４の中央部に、ＳｎまたはＳｎ基合金からなる芯（以下、総括して「Ｓｎ基金属芯」と呼ぶことがある）３を埋設すると共に、Ｓｎ基金属芯３の周囲のＣｕ母材４中に複数のＮｂまたはＮｂ基合金芯（以下、総括して「Ｎｂ基金属芯」と呼ぶことがある）５を相互に接触しないように配置して前駆体（超電導線材製造用前駆体）とする。
【０００７】
この前駆体に伸線加工等の減面加工を施した後、拡散熱処理（Ｎｂ３Ｓｎ生成熱処理）によってＳｎ基金属芯３中のＳｎを拡散させ、Ｎｂ基金属芯５と反応させることによってＮｂ3Ｓｎを生成させる方法である（例えば、特許文献２）。
【０００８】
また上記のような前駆体においても、図２に示すように、前記Ｎｂ基金属芯５とＳｎ基金属芯３が配置された部分（以下、この部分を「超電導コア部」と呼ぶことがある）とその外部の安定化銅層７の間に拡散障壁層６を配置した構成のものが採用される。この拡散障壁層６の構成は、図１に示した前駆体の場合と同様である。
【０００９】
図２に示したような、超電導線材製造用前駆体の製造は、下記の手順で行われる。まず、Ｎｂ基金属芯（Ｎｂ基フィラメント）をＣｕマトリスク管に挿入し、押出し、伸線等によって減面加工して複合体とし（通常、六角断面形状となる）、これを適当な長さに裁断する。そして、Ｃｕ製外筒を有し、拡散障壁層を設けたビレット内に前記複合体を充填し、その中央部にＣｕマトリクス（Ｃｕ製中実ビレット）を配置して押出し加工した後、中央部のＣｕマトリクスを機械的に穿孔してパイプ状複合体を構成する。或いは、他の方法として、Ｃｕ外筒とＣｕ内筒で構成され、拡散障壁層６を有した中空ビレット内（外筒と内筒の間）に前記複合体を複数本充填してパイプ押出ししてパイプ状複合体を構成する。そして、これらの方法により作製されたパイプ状複合体の中央空隙部内に、Ｓｎ基金属芯３を挿入して縮径加工し、図２に示したような前駆体が製造される。
【００１０】
尚、図２に示した前駆体では、Ｓｎ金属芯３が１本、Ｎｂ基金属芯５が複数本のものを示したけれども、Ｓｎ基金属芯３を複数本で構成することも可能である。またＮｂ基金属芯５は、実際のところ数１００本から数千本の状態で配置されるのが一般的である。
【００１１】
また、図１に示した超電導線材製造用前駆体を製造する場合には、Ｃｕマトリスク管の代わりにＣｕ−Ｓｎマトリクス管を用い、中央にＳｎ基金属芯を配置しない以外は基本的に同様の手順で行なわれる。
【特許文献１】特開昭６０−２５３１１４号公報 特許請求の範囲等
【特許文献２】特開昭４９−１１４３８９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】
【００１２】
また上記のような各種前駆体においては、図１、２に示したように、超電導マトリクス部とその外部の安定化銅の間に拡散障壁層を配置した構成とされるのであるが、この拡散障壁層に起因して、伸線加工時の加工性を劣化させたり、超電導特性が低下してしまうという問題が発生することがある。
【００１３】
ところで、超電導線材における特性を低下させる現象として、「カップリング」がある。この現象は、超電導線材に外部から変動磁場をかけたときに、例えばＮｂ基フィラメント相互間、Ｎｂ基フィラメントと拡散障壁層との間の超電導コア部に電流が誘起され、あたかもそれが電磁気学的に一体的となって振舞う現象である。こうした現象が生じると、有効フィラメント径が増大し、超電導線材に電流や磁場が変動したときにエネルギーの損失（以下、「交流ロス」と呼ぶ）が大きくなる。
【００１４】
こうした交流ロスを低減するためには、拡散障壁層の部分にＮｂ３Ｓｎ相が生成しない素材を用いることが必要である。拡散障壁層の素材としては、前述の如くＮｂやＴａが用いられている。このうちＴａを用いるとＮｂ3Ｓｎ相が生成せず、交流ロスは抑えられるが、加工性が悪く断線等が発生し易くなる。またＮｂを素材として用いた場合には、Ｔａと比べて加工性は良好となるが、拡散障壁層にＮｂ3Ｓｎ相が形成されてしまい、上記のようなカップリングが生じ易い状態になる。
【００１５】
こうしたことから、Ｎｂ層とＴａ層の２層からなる複合層も提案されているのであるが（前記特許文献１）、加工性の悪いＴａを用いれば、伸線加工時に断線が発生しやすくなる。また、ＮｂとＴａは融点が高く、金属結合しにくいものであるので、相互の密着性に難点があり、均一加工が困難になる。加工が不均一になると、拡散障壁層の破損を招き、最終的に超電導線材における残留抵抗比が低下するという事態を招くことになる。最悪の場合には、伸線加工途中で断線が発生することがある。
【００１６】
拡散障壁層の素材として、Ｔａだけを用いた場合には、加工性が極端に悪くなるばかりか、Ｎｂと比べて高価となってコストアップにもなる。また、Ｔａ部分にはＮｂ3Ｓｎ相が形成されないので、カップリングは発生しにくいが、ＴａはＮｂ3Ｓｎ相の生成に関与しないので、非超電導部分が多くなって臨界電流密度Ｊｃは却って低下する傾向を示す。
【００１７】
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、減面加工時における加工性を良好にすると共に、断面構成を適切にすることによって、カップリングに起因する交流ロスの低減を図り、良好な超電導特性を発揮できるようなＮｂ3Ｓｎ超電導線材製造用前駆体を安価に実現できる構成、およびこうした前駆体を用いたＮｂ3Ｓｎ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】
【００１８】
上記目的を達成することのできた本発明の超電導線材製造用前駆体とは、Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材を製造する際に用いる超電導線材製造用前駆体であって、Ｃｕ−Ｓｎ基合金中に、複数本のＮｂまたはＮｂ基合金からなるＮｂ基フィラメントが配置された超電導コア部と、その外周にＮｂからなる拡散障壁層および安定化銅層を有する超電導線材製造用前駆体において、前記拡散障壁層の内周面から、前記超電導コア部の最外層部に存在するＮｂ基フィラメントまでの距離を、減面加工後の最終形状で２μｍ以上に設定したものである点に要旨を有するものである。この前駆体は、ブロンズ法に適用されるものである。また、こうした構成の前駆体においては、前記拡散障壁層の内周面から、前記超電導コア部の最外層部に存在するＮｂ基フィラメントまでの距離が１０μｍ以下であることが好ましい。
【００１９】
一方、上記目的は下記の構成を採用することによっても達成される。即ち、本発明の超電導線材製造用前駆体に別の構成としては、Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材を製造する際に用いる超電導線材製造用前駆体であって、ＣｕまたはＣｕ基合金中に、１本または複数本のＮｂまたはＮｂ基合金からなるＮｂ基フィラメントと、１本または複数本のＳｎまたはＳｎ基合金芯が配置された超電導コア部と、その外周にＮｂからなる拡散障壁層および安定化銅層を有する超電導線材製造用前駆体において、前記拡散障壁層の内周面から、前記超電導コア部の最外層部に存在するＮｂ基フィラメントまでの距離を、減面加工後の最終形状で２μｍ以上に設定したものである点に要旨を有するものである。この前駆体は、内部拡散法に適用されるものである。また、こうした構成の前駆体においては、前記拡散障壁層の内周面から、前記超電導コア部の最外層部に存在するＮｂ基フィラメントまでの距離が４０μｍ以下であることが好ましい。
【００２０】
本発明の超電導線材製造用前駆体においては、前記拡散障壁層の内周面から、前記超電導コア部の最外層部に存在するＮｂ基フィラメントまでの距離を２μｍ以上にするための具体的手段として、下記（１）、（２）の構成が挙げられる。
（１）前記拡散障壁層の内周全面に、ＣｕまたはＣｕ基合金からなる層を形成することによって、前記距離を２μｍ以上とする。
（２）前記拡散障壁層の内周面のうち、前記Ｎｂ基フィラメントが近接する位置に、ＴａまたはＣｕ若しくはＣｕ基合金からなる層を部分的に形成することによって、前記距離を２μｍ以上とする。
【００２１】
上記のような超電導線材製造用前駆体を、熱処理することによって希望する特性を発揮するＮｂ3Ｓｎ超電導線材を製造することができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、拡散障壁層の内周面から、前記超電導コア部の最外層部に存在するＮｂ基フィラメントまでの距離を２μｍ以上とすることによって、カップリングに起因する交流ロスの低減を図り、良好な超電導特性を発揮できるようなＮｂ３Ｓｎ超電導線材製造用前駆体の構成が実現できた。また、上記距離を２μｍ以上とするための具体的手段として、基本的にＴａを用いず若しくは必要箇所にだけ配置することによって、コスト低減を図りつつ、良好な加工性も実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
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、拡散障壁層の内周面から、前記超電導コア部の最外層部に存在するＮｂ基フィラメントまでの距離を適正化すれば、カップリングに起因する交流ロスの低減を図ることができ、良好な超電導特性を発揮するＮｂ3Ｓｎ超電導線材を得ることのできる前駆体が実現できることを見出し、本発明を完成した。以下、本発明の前駆体の構成を図面によって説明する。
【００２４】
図３は、本発明の前駆体の要部を示す断面図であり、図中、６ａはＮｂからなる拡散障壁層、１０はマトリクス、１１はＮｂ基フィラメント、１５は超電導コア部を夫々示す。本発明の前駆体においては、Ｎｂからなる拡散障壁層６ａの内周面から、超電導コア部１５の最外層部に存在するＮｂ基フィラメント１１までの距離ｄB-f（減面加工後の最終形状における距離）を２μｍ以上に設定するものである。尚、超電導コア部１５の最外層部に存在するＮｂ基フィラメント１１は、全てが均一な距離に存在するわけではないが、前記距離ｄB-fは最外層部に存在するＮｂ基フィラメント１１のうち、拡散障壁層６ａに最も近接した位置に存在するＮｂ基フィラメントと拡散障壁層６ａ間の距離を意味する。このように距離ｄB-fを適正化することによって、カップリングによる交流ロスが低減できるのである。
【００２５】
この距離ｄB-fがあまり大きくなると、超電導コア部１５における非超電導部分領域が大きくなって、臨界電流密度が低下することが予想されるので、その上限についても適切に設定することが好ましい。適用される方法によってもこの距離ｄB-fの上限は異なるが、ブロンズ法に適用される前駆体では、距離ｄB-fは１０μｍ以下であることが好ましい。
【００２６】
一方、内部拡散法に適用される前駆体では、ブロンズ法と比べてＳｎ固溶量に限界がなく、反応量を大きくすることができるので、その分臨界電流密度Ｊｃはブロンズ法による場合よりも高くすることができる。臨界電流密度Ｊｃの絶対値でみたときに、内部拡散法の場合には、ブロンズ法よりも許容範囲が大きく、それだけ前記距離ｄB-fを大きくすることができる。こうした観点から、内部拡散法に適用される前駆体では、距離ｄB-fは４０μｍ以下であることが好ましい。
【００２７】
本発明の前駆体において、上記のように距離ｄB-fを２μｍ以上にする手段について説明する。前駆体の製造過程において、Ｎｂ基合金芯をＣｕ−Ｓｎマトリクス管（もしくはＣｕマトリクス管）に挿入せずに、伸線加工した線材（無垢材）をスペーサとして用いることがあり、こうしたスペーサを拡散障壁層の内周面側に配置することも考えられるが、ブロンズ法でこうしたスペーサを用いた場合には、距離ｄB-fが却って大きくなってしまい、臨界電流密度Ｊｃが低下することになる（後記表１の試験Ｎｏ．１３）。また内部拡散法では、こうしたスペーサを用いて、前記距離ｄB-fを４０μｍ以下とすることもできるが、この場合には界面が増え加工性が劣化することになるになる。
【００２８】
こうしたことから、本発明の前駆体では、距離ｄB-fを適正な範囲に設定するための具体的構成として、次のような構成が提案できる。図４は、本発明の前駆体の具体的構成を示す要部断面図である。この構成においては、拡散障壁層６ａの内周面全面にＣｕまたはＣｕ基合金からなる層１２を形成することによって、距離ｄB-fを２μｍ以上にするものである。こうした層１２を設けることによって、拡散障壁層６ａの素材がＮｂであっても、良好な加工性が維持できることになる。
【００２９】
図５は、本発明の前駆体の他の具体的構成を示す要部断面図である。この構成においては、拡散障壁層６ａの内周面のうち、最外層部に存在するＮｂ基フィラメント１１のうち最近接するＮｂ基フィラメント１１に対応する内周面にだけ、ＴａまたはＣｕからなる層１３を部分的に形成したものである。こうした構成においては、層１３の素材としてＣｕを用いる場合は勿論、Ｔａを用いる場合であっても全面に形成するものでないので、加工性を良好に維持することができる。層１３は１箇所の配置でも良いし、複数個所の配置でも良い。尚、拡散障壁層６ａの内周面のうち、層１３を設けない領域については、単芯または一次多芯のブロンズ比を調整することによって、距離ｄB-fを所定の範囲に設定できる。尚、前記層１２または１３で用いるＣｕ合金としては、加工性を考慮して、Ｓｎ等を１０質量％程度まで含むものも使用できる。
【００３０】
いずれの構成を採用するにしても、高価なＴａを用いないか、用いても全面に使用しない構成とすることができるので、コストの低減を図ることもできる。尚、全周にＣｕ層＋部分的にＴａの組み合わせで用いることもできる。
【００３１】
本発明の前駆体においては、Ｎｂ基フィラメントの直径も適切な大きさに設定することが好ましい。こうした観点から、Ｎｂ基フィラメントの直径は、減面加工後の最終形状（即ち、拡散熱処理前の形状）で、１．５〜６．０μｍ程度であることが好ましい。Ｎｂ基フィラメントの直径が１．５μｍ未満になるような強加工では、線材長手方向の径の変動が大きくなり（ソーセージング）、均一加工ができなくなる。また、この直径が６．０μｍを超えると、高い臨界電流密度が得られにくくなる。また、Ｎｂ基フィラメントの直径は、交流ロスの低減を考えたときには、４μｍ以下であることが望ましく、耐歪性を考えたときには、１．５μｍ以上であることが望ましい。
【００３２】
本発明の前駆体において、銅比（Ｃｕ部／非Ｃｕ部の断面積比）も適切に制御することが好ましい。この銅比は、安定性の観点から０．２以上であることが好ましく、より好ましくは０．８以上とするのが良い。しかしながら、銅比が余り大きくなると非超電導部分が多くなって線材全断面当りの臨界電流密度Ｊｃが低下することになるので、２．０以下であることが好ましく、より好ましくは１．０以下とするのが良い。
【００３３】
ブロンズ法で適用される前駆体で用いるＣｕ−Ｓｎ合金は、Ｓｎ含有量が１３〜１７質量％であるものが好ましい。こうした含有量とすることで、臨界電流密度Ｊｃを更に改善することができる。このＳｎ含有量が、１３質量％未満では、Ｓｎ濃度を高める効果が発揮できず、１７質量％を超えると、Ｃｕ−Ｓｎ化合物が多量に析出して線材の均一加工が困難になる。
【００３４】
一方、内部拡散法で用いる前駆体では、その基本的な構成として、ＣｕまたはＣｕ基合金中に、Ｎｂ基金属芯５（ＮｂまたはＮｂ基合金芯）およびＳｎ基金属芯３（ＳｎまたはＳｎ基合金芯）を相互の間隔をあけて配置するものであるが、こうした構成で用いるＣｕ合金としては、ＣｕにＮｂ，Ｎｉ等の元素を含有（５質量％程度）したものを用いることができる。またＳｎ基金属芯３として用いる素材としては、Ｔｉ，Ｔａ，Ｚｒ，Ｈｆ等の元素を、加工性を阻害しない程度（５質量％程度以下）含有させたものを使用することができる。
【００３５】
またいずれの方法においても、Ｎｂ基フィラメントを用いることがあるが（図１の芯材２、図２のＮｂ基金属芯５）、これに用いるＮｂ基合金としては、Ｔａ，Ｈｆ，Ｚｒ，Ｔｉ等の添加元素を１０質量％程度以下含有させたものを使用することができる。
【００３６】
本発明方法においては、上記のような前駆体を構成し、これに対して焼鈍と伸線加工を行い、その後拡散熱処理（通常６００℃以上、７５０℃以下）することによって、良好な特性を発揮する超電導線材を得ることができる。
【００３７】
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。
【実施例】
【００３８】
［実施例１（ブロンズ法）］
直径：６０ｍｍのＮｂ棒を、外径：６５ｍｍ、内径：３５ｍｍのＣｕ−１５．５質量％Ｓｎ合金中に挿入し、エレクトロンビーム溶接によって端部を封止し、押出しビレットを作製した。この押出しビレットを、途中で適宜５００〜６００℃で１時間の焼鈍を入れながら伸線加工し、六角断面形状のＣｕ−Ｓｎ／Ｎｂ複合線（六角対辺：２．０ｍｍ）とした。このＣｕ−Ｓｎ／Ｎｂ複合線を１３６９本束ねて、その外周に厚さ：０．１ｍｍのＣｕシートを下記表１に示す回数巻き、更にその外周に厚さ：０．２ｍｍのＮｂシートを５回巻き（拡散障壁層）、その周囲に外径：１２０ｍｍ、内径：８７ｍｍのＣｕ（安定化銅層）を配置した。こうして得られた複合線材を、エレクトロンビーム溶接によって端部を封止し、押し出しビレット（多芯型ビレット）とした。
【００３９】
得られた押出しビレットを、押出し、伸線加工によって線径０．５ｍｍの線材（超電導線材製造用前駆体）にした。このとき、ピッチが１３ｍｍとなるように、ツイストを施した。また、０．２ｍｍのＣｕシートを５回巻いて距離ｄB-fを調整して作製した押し出しビレットも準備した。
【００４０】
また比較のために、（１）六角断面形状（六角対辺：２．０ｍｍ）のＣｕ−Ｓｎ無垢材（Ｎｂ棒を挿入していないもの）を、前記Ｃｕ−Ｓｎ／Ｎｂ複合線の外周に配置して、組み立て時にＣｕシートを巻かずに、その周囲に外径：１２０ｍｍ、内径：８７ｍｍのＣｕ（安定化銅）を配置して作製した押し出しビレットを用いたもの（表１の試験Ｎｏ．１３）、（２）Ｃｕシートを巻く代わりに、厚さ：０．２ｍｍのＴａシートを５回巻き、その周囲に外径：１２０ｍｍ、内径：８７ｍｍのＣｕ（安定化銅）を配置して作製した押し出しビレットを用いたもの（表１の試験Ｎｏ．１４）等も作製した。
【００４１】
得られた超電導線材製造用前駆体（外径：０．５ｍｍのもの）について、最外層フィラメントと拡散障壁層との距離ｄB-f、押し出し、伸線加工時の断線回を調査すると共に、各前駆体について６５０℃で１５０時間の熱処理（拡散熱処理）を施してＮｂ３Ｓｎ超電導線材としたときの、交流ロスおよび臨界電流密度（Ｊｃ）について、下記の条件で測定した。
【００４２】
［最外層フィラメントと拡散障壁層との距離ｄB-fの測定］
熱処理前の前駆体研磨面に垂直に埋め込み研磨し、断面について電子顕微鏡観察を行なうことによって、距離ｄB-fを測定した。
【００４３】
［交流ロスの測定］
ピックアップコイル法によって、液体ヘリウム中（温度４．２Ｋ）で±３Ｔ（テスラ）の振動磁場中で測定した。
【００４４】
［臨界電流密度Ｊｃの測定］
液体ヘリウム中（温度４．２Ｋ）で、１２Ｔ（テスラ）の外部磁場の下、試料（超電導線材）に通電し、４端子法によって発生電圧を測定し、この値が０．１μＶ／ｃｍの電界が発生した電流値（臨界電流Ｉｃ）を測定し、この電流値を、線材の非Ｃｕ部当りの断面積で除して臨界電流密度Ｊｃを求めた。
【００４５】
これらの結果を一括して、下記表１に示す。この結果から明らかなように、Ｃｕシートを介在させて前記距離ｄB-fを適切にしたものでは（試験Ｎｏ．３〜１２）、交流ロスも低減されており、良好な臨界電流密度Ｊｃが実現できていることが分かる。尚、試験Ｎｏ．１４のものは、Ｔａを拡散障壁層として用いたものであるが、伸線加工時に断線が多発して最終線径（直径：０．５ｍｍ）までの伸線が不可能であった。
【００４６】
【表１】
【００４７】
［実施例２（ブロンズ法）］
実施例１において、Ｃｕシートを巻付ける代わりに、厚さ：０．２ｍｍ、幅：２０ｍｍのＴａシートのスリットを、最近接フィラメント部分に相当する拡散障壁層内周１２箇所に配置して、押出しビレット（多芯型ビレット）を作製した。この押出しビレットを、押出し、伸線加工によって線径０．５ｍｍの線材（超電導線材製造用前駆体）にした。この伸線加工の段階で断線は発生しなかった。また伸線加工後の段階で、拡散障壁層と最近接フィラメントとの距離ｄB-fは２．５μｍである。
【００４８】
得られた前駆体について、実施例１と同様の条件で熱処理（拡散熱処理）を施してＮｂ3Ｓｎ超電導線材とした。この超電導線材について、交流ロスおよび臨界電流密度（Ｊｃ）について、実施例１と同様にして測定した。その結果、交流ロス３２０ｋＪ／ｍ3、臨界電流密度（Ｊｃ）：７７０Ａ／ｍｍ2であった。
【００４９】
［実施例３（ブロンズ法）］
実施例１において、Ｃｕシートを巻き付ける代わりに、厚さ：０．４ｍｍ、幅：２０ｍｍのＣｕシートのスリットを、最近接フィラメント部分に相当する拡散障壁層内周１２箇所に配置して、押出しビレット（多芯型ビレット）を作製した。この押出しビレットを、押出し、伸線加工によって線径０．５ｍｍの線材（超電導線材製造用前駆体）にした。この伸線加工の段階で断線は発生しなかった。また伸線加工後の段階で、拡散障壁層と最近接フィラメントとの距離ｄB-fは２．３μｍである。
【００５０】
得られた前駆体について、実施例１と同様の条件で熱処理（拡散熱処理）を施してＮｂ3Ｓｎ超電導線材とした。この超電導線材について、交流ロスおよび臨界電流密度（Ｊｃ）について、実施例１と同様にして測定した。その結果、交流ロス６７５ｋＪ／ｍ3、臨界電流密度（Ｊｃ）：７６５Ａ／ｍｍ2であった。
【００５１】
［実施例４（内部拡散法）］
直径：１８ｍｍのＮｂ棒を、外径：２１ｍｍ、内径：１８ｍｍのＣｕパイプ内に挿入し、ダイス伸線加工によって、六角断面形状のＣｕ／Ｎｂ複合線（六角対辺：２．０ｍｍ）に仕上げ、４００ｍｍの長さに切断した。このＣｕ／Ｎｂ複合線を、外径：１４３ｍｍ、内径：１２４ｍｍのＣｕ管内に３３６本束ねて、Ｃｕ内筒（外径：７０ｍｍ、内径：６１ｍｍ）を中心にして配置し、エレクトロンビーム溶接によって蓋をして、押出しビレットとした。
【００５２】
こうして得られた押出しビレットを、パイプ押出し、パイプ伸線した後、外径：１８ｍｍのＳｎ棒を中心部に挿入して、六角断面形状のモノエレメント線材（六角対辺：３．５ｍｍ）を作製した。このモノエレメント線材を１９本束ね、その外周に厚さ０．１ｍｍのＮｂシートと、その内側に下記表２に示すＣｕシートを配置して、外径：３３ｍｍ、内径：２６ｍｍのＣｕパイプ内に配置し、更に伸線することによって、最終線径を２．０ｍｍの線材（マルチエレメント線材）とした。
【００５３】
得られた超電導線材製造用前駆体（外径：２．０ｍｍのもの）について、最外層フィラメントと拡散障壁層との距離ｄB-f、押し出し、伸線加工時の断線回数を調査すると共に、各前駆体について（５００℃×１００時間＋６５０℃×１００時間）の熱処理（拡散熱処理）を施してＮｂ3Ｓｎ超電導線材としたときの、交流ロスおよび臨界電流密度（Ｊｃ）について、実施例１と同じ条件で測定した。
【００５４】
これらの結果を一括して、下記表２に示す。この結果から明らかなように、拡散障壁層とＮｂ基フィラメントの間にＣｕシートを介在させて前記距離ｄB-fを適切にしたものでは（試験Ｎｏ．１６〜２１）、交流ロスも低減されており、良好な臨界電流密度Ｊｃが実現できていることが分かる。
【００５５】
【表２】
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】ブロンズ法に適用される超電導線材製造用前駆体の構成例を模式的に示した断面図である。
【図２】内部拡散法に適用される超電導線材製造用前駆体の構成例を模式的に示した断面図である。
【図３】本発明の前駆体の要部を示す断面図である。
【図４】本発明の前駆体の具体的構成例を示す要部断面図である。
【図５】本発明の前駆体の他の具体的構成例を示す要部断面図である。
【符号の説明】
【００５７】
１ Ｃｕ−Ｓｎ基合金マトリクス
２ Ｎｂ基金属芯材
３ Ｓｎ基金属芯
４ Ｃｕ基合金（Ｃｕ母材）
５ Ｎｂ基合金芯
６，６ａ 拡散障壁層
７ 安定化銅層
１０ マトリクス
１１ Ｎｂ基フィラメント
１２ ＣｕまたはＣｕ基合金からなる層
１５ 超電導コア部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材をブロンズ法や内部拡散法によって製造する方法、およびこうしたＮｂ3Ｓｎ超電導線材を製造するための前駆体（超電導線材製造用前駆体）に関するものであり、殊に高磁場発生用超電導マグネットの素材として有用なＮｂ3Ｓｎ超電導線材を製造する為の技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
超電導線材が実用化されている分野のうち、高分解能核磁気共鳴（ＮＭＲ）分析装置に用いられる超電導マグネットについては発生磁場が高いほど分解能が高まることから、超電導マグネットは近年ますます高磁場化の傾向にある。また、核融合炉に用いられるマグネットも発生磁場が高くなると、閉じ込めることのできるプラズマのエネルギーが大きくなるため、高磁場化の傾向にある。
【０００３】
このような高磁場発生用超電導マグネットに使用される超電導線材としては、Ｎｂ3Ｓｎ線材が実用化されており、このＮｂ3Ｓｎ超電導線材の製造には主にブロンズ法が採用されている。このブロンズ法では、図１（Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材製造用前駆体の模式図）に示すように、Ｃｕ−Ｓｎ基合金（ブロンズ）マトリクス１中に複数（図では７）のＮｂ若しくはＮｂ基合金からなる芯材２を埋設して複合線材が構成される。この複合材を伸線加工することによって上記芯材２を細径化してフィラメント（以下、Ｎｂ基フィラメントと呼ぶ）とし、このＮｂ基フィラメントとブロンズとからなる複合線材を複数束ねて線材群となし、その外周に安定化の為の銅（安定化銅層７）を配置した後伸線加工する。
【０００４】
また上記のような前駆体においては、図１に示すように、Ｃｕ−Ｓｎ基合金（ブロンズ）マトリクス１中に複数のＮｂ基フィラメントが配置された部分（以下、「超電導コア部」と呼ぶことがある）とその外部の安定化銅７の間に拡散障壁層６を配置した構成とするのが一般的である。この拡散障壁層６は、例えばＮｂ層またはＴａ層、或いはＮｂ層とＴａ層の２層からなり（例えば特許文献１）、拡散熱処理の際に超電導マトリクス部内のＳｎが外部に拡散してしまうことを防止し、安定化銅へのＳｎの拡散を抑える作用を発揮するものである。
【０００５】
上記のような前駆体（伸線加工後の線材群）を６００℃以上８００℃以下程度で拡散熱処理（Ｎｂ3Ｓｎ生成熱処理）をすることにより、Ｎｂ基フィラメントとブロンズマトリクスの界面にＮｂ3Ｓｎ化合物層を生成する方法である。図１においては、説明の便宜上、Ｎｂ基フィラメントは７本のものを示したが、実際には数１００本から数万本を配置することが一般的である。
【０００６】
Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材を製造する方法としては、上記ブロンズ法の他に、内部拡散法も知られている。この内部拡散法（内部Ｓｎ法とも呼ばれる）では、図２（Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材製造用前駆体の模式図）に示すように、ＣｕまたはＣｕ基合金（以下、「Ｃｕ母材」と呼ぶことがある）４の中央部に、ＳｎまたはＳｎ基合金からなる芯（以下、総括して「Ｓｎ基金属芯」と呼ぶことがある）３を埋設すると共に、Ｓｎ基金属芯３の周囲のＣｕ母材４中に複数のＮｂまたはＮｂ基合金芯（以下、総括して「Ｎｂ基金属芯」と呼ぶことがある）５を相互に接触しないように配置して前駆体（超電導線材製造用前駆体）とする。
【０００７】
この前駆体に伸線加工等の減面加工を施した後、拡散熱処理（Ｎｂ３Ｓｎ生成熱処理）によってＳｎ基金属芯３中のＳｎを拡散させ、Ｎｂ基金属芯５と反応させることによってＮｂ3Ｓｎを生成させる方法である（例えば、特許文献２）。
【０００８】
また上記のような前駆体においても、図２に示すように、前記Ｎｂ基金属芯５とＳｎ基金属芯３が配置された部分（以下、この部分を「超電導コア部」と呼ぶことがある）とその外部の安定化銅層７の間に拡散障壁層６を配置した構成のものが採用される。この拡散障壁層６の構成は、図１に示した前駆体の場合と同様である。
【０００９】
図２に示したような、超電導線材製造用前駆体の製造は、下記の手順で行われる。まず、Ｎｂ基金属芯（Ｎｂ基フィラメント）をＣｕマトリスク管に挿入し、押出し、伸線等によって減面加工して複合体とし（通常、六角断面形状となる）、これを適当な長さに裁断する。そして、Ｃｕ製外筒を有し、拡散障壁層を設けたビレット内に前記複合体を充填し、その中央部にＣｕマトリクス（Ｃｕ製中実ビレット）を配置して押出し加工した後、中央部のＣｕマトリクスを機械的に穿孔してパイプ状複合体を構成する。或いは、他の方法として、Ｃｕ外筒とＣｕ内筒で構成され、拡散障壁層６を有した中空ビレット内（外筒と内筒の間）に前記複合体を複数本充填してパイプ押出ししてパイプ状複合体を構成する。そして、これらの方法により作製されたパイプ状複合体の中央空隙部内に、Ｓｎ基金属芯３を挿入して縮径加工し、図２に示したような前駆体が製造される。
【００１０】
尚、図２に示した前駆体では、Ｓｎ金属芯３が１本、Ｎｂ基金属芯５が複数本のものを示したけれども、Ｓｎ基金属芯３を複数本で構成することも可能である。またＮｂ基金属芯５は、実際のところ数１００本から数千本の状態で配置されるのが一般的である。
【００１１】
また、図１に示した超電導線材製造用前駆体を製造する場合には、Ｃｕマトリスク管の代わりにＣｕ−Ｓｎマトリクス管を用い、中央にＳｎ基金属芯を配置しない以外は基本的に同様の手順で行なわれる。
【特許文献１】特開昭６０−２５３１１４号公報 特許請求の範囲等
【特許文献２】特開昭４９−１１４３８９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】
【００１２】
また上記のような各種前駆体においては、図１、２に示したように、超電導マトリクス部とその外部の安定化銅の間に拡散障壁層を配置した構成とされるのであるが、この拡散障壁層に起因して、伸線加工時の加工性を劣化させたり、超電導特性が低下してしまうという問題が発生することがある。
【００１３】
ところで、超電導線材における特性を低下させる現象として、「カップリング」がある。この現象は、超電導線材に外部から変動磁場をかけたときに、例えばＮｂ基フィラメント相互間、Ｎｂ基フィラメントと拡散障壁層との間の超電導コア部に電流が誘起され、あたかもそれが電磁気学的に一体的となって振舞う現象である。こうした現象が生じると、有効フィラメント径が増大し、超電導線材に電流や磁場が変動したときにエネルギーの損失（以下、「交流ロス」と呼ぶ）が大きくなる。
【００１４】
こうした交流ロスを低減するためには、拡散障壁層の部分にＮｂ３Ｓｎ相が生成しない素材を用いることが必要である。拡散障壁層の素材としては、前述の如くＮｂやＴａが用いられている。このうちＴａを用いるとＮｂ3Ｓｎ相が生成せず、交流ロスは抑えられるが、加工性が悪く断線等が発生し易くなる。またＮｂを素材として用いた場合には、Ｔａと比べて加工性は良好となるが、拡散障壁層にＮｂ3Ｓｎ相が形成されてしまい、上記のようなカップリングが生じ易い状態になる。
【００１５】
こうしたことから、Ｎｂ層とＴａ層の２層からなる複合層も提案されているのであるが（前記特許文献１）、加工性の悪いＴａを用いれば、伸線加工時に断線が発生しやすくなる。また、ＮｂとＴａは融点が高く、金属結合しにくいものであるので、相互の密着性に難点があり、均一加工が困難になる。加工が不均一になると、拡散障壁層の破損を招き、最終的に超電導線材における残留抵抗比が低下するという事態を招くことになる。最悪の場合には、伸線加工途中で断線が発生することがある。
【００１６】
拡散障壁層の素材として、Ｔａだけを用いた場合には、加工性が極端に悪くなるばかりか、Ｎｂと比べて高価となってコストアップにもなる。また、Ｔａ部分にはＮｂ3Ｓｎ相が形成されないので、カップリングは発生しにくいが、ＴａはＮｂ3Ｓｎ相の生成に関与しないので、非超電導部分が多くなって臨界電流密度Ｊｃは却って低下する傾向を示す。
【００１７】
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、減面加工時における加工性を良好にすると共に、断面構成を適切にすることによって、カップリングに起因する交流ロスの低減を図り、良好な超電導特性を発揮できるようなＮｂ3Ｓｎ超電導線材製造用前駆体を安価に実現できる構成、およびこうした前駆体を用いたＮｂ3Ｓｎ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】
【００１８】
上記目的を達成することのできた本発明の超電導線材製造用前駆体とは、Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材を製造する際に用いる超電導線材製造用前駆体であって、Ｃｕ−Ｓｎ基合金中に、複数本のＮｂまたはＮｂ基合金からなるＮｂ基フィラメントが配置された超電導コア部と、その外周にＮｂからなる拡散障壁層および安定化銅層を有する超電導線材製造用前駆体において、前記拡散障壁層の内周面から、前記超電導コア部の最外層部に存在するＮｂ基フィラメントまでの距離を、減面加工後の最終形状で２μｍ以上に設定したものである点に要旨を有するものである。この前駆体は、ブロンズ法に適用されるものである。また、こうした構成の前駆体においては、前記拡散障壁層の内周面から、前記超電導コア部の最外層部に存在するＮｂ基フィラメントまでの距離が１０μｍ以下であることが好ましい。
【００１９】
一方、上記目的は下記の構成を採用することによっても達成される。即ち、本発明の超電導線材製造用前駆体に別の構成としては、Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材を製造する際に用いる超電導線材製造用前駆体であって、ＣｕまたはＣｕ基合金中に、１本または複数本のＮｂまたはＮｂ基合金からなるＮｂ基フィラメントと、１本または複数本のＳｎまたはＳｎ基合金芯が配置された超電導コア部と、その外周にＮｂからなる拡散障壁層および安定化銅層を有する超電導線材製造用前駆体において、前記拡散障壁層の内周面から、前記超電導コア部の最外層部に存在するＮｂ基フィラメントまでの距離を、減面加工後の最終形状で２μｍ以上に設定したものである点に要旨を有するものである。この前駆体は、内部拡散法に適用されるものである。また、こうした構成の前駆体においては、前記拡散障壁層の内周面から、前記超電導コア部の最外層部に存在するＮｂ基フィラメントまでの距離が４０μｍ以下であることが好ましい。
【００２０】
本発明の超電導線材製造用前駆体においては、前記拡散障壁層の内周面から、前記超電導コア部の最外層部に存在するＮｂ基フィラメントまでの距離を２μｍ以上にするための具体的手段として、下記（１）、（２）の構成が挙げられる。
（１）前記拡散障壁層の内周全面に、ＣｕまたはＣｕ基合金からなる層を形成することによって、前記距離を２μｍ以上とする。
（２）前記拡散障壁層の内周面のうち、前記Ｎｂ基フィラメントが近接する位置に、ＴａまたはＣｕ若しくはＣｕ基合金からなる層を部分的に形成することによって、前記距離を２μｍ以上とする。
【００２１】
上記のような超電導線材製造用前駆体を、熱処理することによって希望する特性を発揮するＮｂ3Ｓｎ超電導線材を製造することができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、拡散障壁層の内周面から、前記超電導コア部の最外層部に存在するＮｂ基フィラメントまでの距離を２μｍ以上とすることによって、カップリングに起因する交流ロスの低減を図り、良好な超電導特性を発揮できるようなＮｂ３Ｓｎ超電導線材製造用前駆体の構成が実現できた。また、上記距離を２μｍ以上とするための具体的手段として、基本的にＴａを用いず若しくは必要箇所にだけ配置することによって、コスト低減を図りつつ、良好な加工性も実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
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、拡散障壁層の内周面から、前記超電導コア部の最外層部に存在するＮｂ基フィラメントまでの距離を適正化すれば、カップリングに起因する交流ロスの低減を図ることができ、良好な超電導特性を発揮するＮｂ3Ｓｎ超電導線材を得ることのできる前駆体が実現できることを見出し、本発明を完成した。以下、本発明の前駆体の構成を図面によって説明する。
【００２４】
図３は、本発明の前駆体の要部を示す断面図であり、図中、６ａはＮｂからなる拡散障壁層、１０はマトリクス、１１はＮｂ基フィラメント、１５は超電導コア部を夫々示す。本発明の前駆体においては、Ｎｂからなる拡散障壁層６ａの内周面から、超電導コア部１５の最外層部に存在するＮｂ基フィラメント１１までの距離ｄB-f（減面加工後の最終形状における距離）を２μｍ以上に設定するものである。尚、超電導コア部１５の最外層部に存在するＮｂ基フィラメント１１は、全てが均一な距離に存在するわけではないが、前記距離ｄB-fは最外層部に存在するＮｂ基フィラメント１１のうち、拡散障壁層６ａに最も近接した位置に存在するＮｂ基フィラメントと拡散障壁層６ａ間の距離を意味する。このように距離ｄB-fを適正化することによって、カップリングによる交流ロスが低減できるのである。
【００２５】
この距離ｄB-fがあまり大きくなると、超電導コア部１５における非超電導部分領域が大きくなって、臨界電流密度が低下することが予想されるので、その上限についても適切に設定することが好ましい。適用される方法によってもこの距離ｄB-fの上限は異なるが、ブロンズ法に適用される前駆体では、距離ｄB-fは１０μｍ以下であることが好ましい。
【００２６】
一方、内部拡散法に適用される前駆体では、ブロンズ法と比べてＳｎ固溶量に限界がなく、反応量を大きくすることができるので、その分臨界電流密度Ｊｃはブロンズ法による場合よりも高くすることができる。臨界電流密度Ｊｃの絶対値でみたときに、内部拡散法の場合には、ブロンズ法よりも許容範囲が大きく、それだけ前記距離ｄB-fを大きくすることができる。こうした観点から、内部拡散法に適用される前駆体では、距離ｄB-fは４０μｍ以下であることが好ましい。
【００２７】
本発明の前駆体において、上記のように距離ｄB-fを２μｍ以上にする手段について説明する。前駆体の製造過程において、Ｎｂ基合金芯をＣｕ−Ｓｎマトリクス管（もしくはＣｕマトリクス管）に挿入せずに、伸線加工した線材（無垢材）をスペーサとして用いることがあり、こうしたスペーサを拡散障壁層の内周面側に配置することも考えられるが、ブロンズ法でこうしたスペーサを用いた場合には、距離ｄB-fが却って大きくなってしまい、臨界電流密度Ｊｃが低下することになる（後記表１の試験Ｎｏ．１３）。また内部拡散法では、こうしたスペーサを用いて、前記距離ｄB-fを４０μｍ以下とすることもできるが、この場合には界面が増え加工性が劣化することになるになる。
【００２８】
こうしたことから、本発明の前駆体では、距離ｄB-fを適正な範囲に設定するための具体的構成として、次のような構成が提案できる。図４は、本発明の前駆体の具体的構成を示す要部断面図である。この構成においては、拡散障壁層６ａの内周面全面にＣｕまたはＣｕ基合金からなる層１２を形成することによって、距離ｄB-fを２μｍ以上にするものである。こうした層１２を設けることによって、拡散障壁層６ａの素材がＮｂであっても、良好な加工性が維持できることになる。
【００２９】
図５は、本発明の前駆体の他の具体的構成を示す要部断面図である。この構成においては、拡散障壁層６ａの内周面のうち、最外層部に存在するＮｂ基フィラメント１１のうち最近接するＮｂ基フィラメント１１に対応する内周面にだけ、ＴａまたはＣｕからなる層１３を部分的に形成したものである。こうした構成においては、層１３の素材としてＣｕを用いる場合は勿論、Ｔａを用いる場合であっても全面に形成するものでないので、加工性を良好に維持することができる。層１３は１箇所の配置でも良いし、複数個所の配置でも良い。尚、拡散障壁層６ａの内周面のうち、層１３を設けない領域については、単芯または一次多芯のブロンズ比を調整することによって、距離ｄB-fを所定の範囲に設定できる。尚、前記層１２または１３で用いるＣｕ合金としては、加工性を考慮して、Ｓｎ等を１０質量％程度まで含むものも使用できる。
【００３０】
いずれの構成を採用するにしても、高価なＴａを用いないか、用いても全面に使用しない構成とすることができるので、コストの低減を図ることもできる。尚、全周にＣｕ層＋部分的にＴａの組み合わせで用いることもできる。
【００３１】
本発明の前駆体においては、Ｎｂ基フィラメントの直径も適切な大きさに設定することが好ましい。こうした観点から、Ｎｂ基フィラメントの直径は、減面加工後の最終形状（即ち、拡散熱処理前の形状）で、１．５〜６．０μｍ程度であることが好ましい。Ｎｂ基フィラメントの直径が１．５μｍ未満になるような強加工では、線材長手方向の径の変動が大きくなり（ソーセージング）、均一加工ができなくなる。また、この直径が６．０μｍを超えると、高い臨界電流密度が得られにくくなる。また、Ｎｂ基フィラメントの直径は、交流ロスの低減を考えたときには、４μｍ以下であることが望ましく、耐歪性を考えたときには、１．５μｍ以上であることが望ましい。
【００３２】
本発明の前駆体において、銅比（Ｃｕ部／非Ｃｕ部の断面積比）も適切に制御することが好ましい。この銅比は、安定性の観点から０．２以上であることが好ましく、より好ましくは０．８以上とするのが良い。しかしながら、銅比が余り大きくなると非超電導部分が多くなって線材全断面当りの臨界電流密度Ｊｃが低下することになるので、２．０以下であることが好ましく、より好ましくは１．０以下とするのが良い。
【００３３】
ブロンズ法で適用される前駆体で用いるＣｕ−Ｓｎ合金は、Ｓｎ含有量が１３〜１７質量％であるものが好ましい。こうした含有量とすることで、臨界電流密度Ｊｃを更に改善することができる。このＳｎ含有量が、１３質量％未満では、Ｓｎ濃度を高める効果が発揮できず、１７質量％を超えると、Ｃｕ−Ｓｎ化合物が多量に析出して線材の均一加工が困難になる。
【００３４】
一方、内部拡散法で用いる前駆体では、その基本的な構成として、ＣｕまたはＣｕ基合金中に、Ｎｂ基金属芯５（ＮｂまたはＮｂ基合金芯）およびＳｎ基金属芯３（ＳｎまたはＳｎ基合金芯）を相互の間隔をあけて配置するものであるが、こうした構成で用いるＣｕ合金としては、ＣｕにＮｂ，Ｎｉ等の元素を含有（５質量％程度）したものを用いることができる。またＳｎ基金属芯３として用いる素材としては、Ｔｉ，Ｔａ，Ｚｒ，Ｈｆ等の元素を、加工性を阻害しない程度（５質量％程度以下）含有させたものを使用することができる。
【００３５】
またいずれの方法においても、Ｎｂ基フィラメントを用いることがあるが（図１の芯材２、図２のＮｂ基金属芯５）、これに用いるＮｂ基合金としては、Ｔａ，Ｈｆ，Ｚｒ，Ｔｉ等の添加元素を１０質量％程度以下含有させたものを使用することができる。
【００３６】
本発明方法においては、上記のような前駆体を構成し、これに対して焼鈍と伸線加工を行い、その後拡散熱処理（通常６００℃以上、７５０℃以下）することによって、良好な特性を発揮する超電導線材を得ることができる。
【００３７】
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。
【実施例】
【００３８】
［実施例１（ブロンズ法）］
直径：６０ｍｍのＮｂ棒を、外径：６５ｍｍ、内径：３５ｍｍのＣｕ−１５．５質量％Ｓｎ合金中に挿入し、エレクトロンビーム溶接によって端部を封止し、押出しビレットを作製した。この押出しビレットを、途中で適宜５００〜６００℃で１時間の焼鈍を入れながら伸線加工し、六角断面形状のＣｕ−Ｓｎ／Ｎｂ複合線（六角対辺：２．０ｍｍ）とした。このＣｕ−Ｓｎ／Ｎｂ複合線を１３６９本束ねて、その外周に厚さ：０．１ｍｍのＣｕシートを下記表１に示す回数巻き、更にその外周に厚さ：０．２ｍｍのＮｂシートを５回巻き（拡散障壁層）、その周囲に外径：１２０ｍｍ、内径：８７ｍｍのＣｕ（安定化銅層）を配置した。こうして得られた複合線材を、エレクトロンビーム溶接によって端部を封止し、押し出しビレット（多芯型ビレット）とした。
【００３９】
得られた押出しビレットを、押出し、伸線加工によって線径０．５ｍｍの線材（超電導線材製造用前駆体）にした。このとき、ピッチが１３ｍｍとなるように、ツイストを施した。また、０．２ｍｍのＣｕシートを５回巻いて距離ｄB-fを調整して作製した押し出しビレットも準備した。
【００４０】
また比較のために、（１）六角断面形状（六角対辺：２．０ｍｍ）のＣｕ−Ｓｎ無垢材（Ｎｂ棒を挿入していないもの）を、前記Ｃｕ−Ｓｎ／Ｎｂ複合線の外周に配置して、組み立て時にＣｕシートを巻かずに、その周囲に外径：１２０ｍｍ、内径：８７ｍｍのＣｕ（安定化銅）を配置して作製した押し出しビレットを用いたもの（表１の試験Ｎｏ．１３）、（２）Ｃｕシートを巻く代わりに、厚さ：０．２ｍｍのＴａシートを５回巻き、その周囲に外径：１２０ｍｍ、内径：８７ｍｍのＣｕ（安定化銅）を配置して作製した押し出しビレットを用いたもの（表１の試験Ｎｏ．１４）等も作製した。
【００４１】
得られた超電導線材製造用前駆体（外径：０．５ｍｍのもの）について、最外層フィラメントと拡散障壁層との距離ｄB-f、押し出し、伸線加工時の断線回を調査すると共に、各前駆体について６５０℃で１５０時間の熱処理（拡散熱処理）を施してＮｂ３Ｓｎ超電導線材としたときの、交流ロスおよび臨界電流密度（Ｊｃ）について、下記の条件で測定した。
【００４２】
［最外層フィラメントと拡散障壁層との距離ｄB-fの測定］
熱処理前の前駆体研磨面に垂直に埋め込み研磨し、断面について電子顕微鏡観察を行なうことによって、距離ｄB-fを測定した。
【００４３】
［交流ロスの測定］
ピックアップコイル法によって、液体ヘリウム中（温度４．２Ｋ）で±３Ｔ（テスラ）の振動磁場中で測定した。
【００４４】
［臨界電流密度Ｊｃの測定］
液体ヘリウム中（温度４．２Ｋ）で、１２Ｔ（テスラ）の外部磁場の下、試料（超電導線材）に通電し、４端子法によって発生電圧を測定し、この値が０．１μＶ／ｃｍの電界が発生した電流値（臨界電流Ｉｃ）を測定し、この電流値を、線材の非Ｃｕ部当りの断面積で除して臨界電流密度Ｊｃを求めた。
【００４５】
これらの結果を一括して、下記表１に示す。この結果から明らかなように、Ｃｕシートを介在させて前記距離ｄB-fを適切にしたものでは（試験Ｎｏ．３〜１２）、交流ロスも低減されており、良好な臨界電流密度Ｊｃが実現できていることが分かる。尚、試験Ｎｏ．１４のものは、Ｔａを拡散障壁層として用いたものであるが、伸線加工時に断線が多発して最終線径（直径：０．５ｍｍ）までの伸線が不可能であった。
【００４６】
【表１】
【００４７】
［実施例２（ブロンズ法）］
実施例１において、Ｃｕシートを巻付ける代わりに、厚さ：０．２ｍｍ、幅：２０ｍｍのＴａシートのスリットを、最近接フィラメント部分に相当する拡散障壁層内周１２箇所に配置して、押出しビレット（多芯型ビレット）を作製した。この押出しビレットを、押出し、伸線加工によって線径０．５ｍｍの線材（超電導線材製造用前駆体）にした。この伸線加工の段階で断線は発生しなかった。また伸線加工後の段階で、拡散障壁層と最近接フィラメントとの距離ｄB-fは２．５μｍである。
【００４８】
得られた前駆体について、実施例１と同様の条件で熱処理（拡散熱処理）を施してＮｂ3Ｓｎ超電導線材とした。この超電導線材について、交流ロスおよび臨界電流密度（Ｊｃ）について、実施例１と同様にして測定した。その結果、交流ロス３２０ｋＪ／ｍ3、臨界電流密度（Ｊｃ）：７７０Ａ／ｍｍ2であった。
【００４９】
［実施例３（ブロンズ法）］
実施例１において、Ｃｕシートを巻き付ける代わりに、厚さ：０．４ｍｍ、幅：２０ｍｍのＣｕシートのスリットを、最近接フィラメント部分に相当する拡散障壁層内周１２箇所に配置して、押出しビレット（多芯型ビレット）を作製した。この押出しビレットを、押出し、伸線加工によって線径０．５ｍｍの線材（超電導線材製造用前駆体）にした。この伸線加工の段階で断線は発生しなかった。また伸線加工後の段階で、拡散障壁層と最近接フィラメントとの距離ｄB-fは２．３μｍである。
【００５０】
得られた前駆体について、実施例１と同様の条件で熱処理（拡散熱処理）を施してＮｂ3Ｓｎ超電導線材とした。この超電導線材について、交流ロスおよび臨界電流密度（Ｊｃ）について、実施例１と同様にして測定した。その結果、交流ロス６７５ｋＪ／ｍ3、臨界電流密度（Ｊｃ）：７６５Ａ／ｍｍ2であった。
【００５１】
［実施例４（内部拡散法）］
直径：１８ｍｍのＮｂ棒を、外径：２１ｍｍ、内径：１８ｍｍのＣｕパイプ内に挿入し、ダイス伸線加工によって、六角断面形状のＣｕ／Ｎｂ複合線（六角対辺：２．０ｍｍ）に仕上げ、４００ｍｍの長さに切断した。このＣｕ／Ｎｂ複合線を、外径：１４３ｍｍ、内径：１２４ｍｍのＣｕ管内に３３６本束ねて、Ｃｕ内筒（外径：７０ｍｍ、内径：６１ｍｍ）を中心にして配置し、エレクトロンビーム溶接によって蓋をして、押出しビレットとした。
【００５２】
こうして得られた押出しビレットを、パイプ押出し、パイプ伸線した後、外径：１８ｍｍのＳｎ棒を中心部に挿入して、六角断面形状のモノエレメント線材（六角対辺：３．５ｍｍ）を作製した。このモノエレメント線材を１９本束ね、その外周に厚さ０．１ｍｍのＮｂシートと、その内側に下記表２に示すＣｕシートを配置して、外径：３３ｍｍ、内径：２６ｍｍのＣｕパイプ内に配置し、更に伸線することによって、最終線径を２．０ｍｍの線材（マルチエレメント線材）とした。
【００５３】
得られた超電導線材製造用前駆体（外径：２．０ｍｍのもの）について、最外層フィラメントと拡散障壁層との距離ｄB-f、押し出し、伸線加工時の断線回数を調査すると共に、各前駆体について（５００℃×１００時間＋６５０℃×１００時間）の熱処理（拡散熱処理）を施してＮｂ3Ｓｎ超電導線材としたときの、交流ロスおよび臨界電流密度（Ｊｃ）について、実施例１と同じ条件で測定した。
【００５４】
これらの結果を一括して、下記表２に示す。この結果から明らかなように、拡散障壁層とＮｂ基フィラメントの間にＣｕシートを介在させて前記距離ｄB-fを適切にしたものでは（試験Ｎｏ．１６〜２１）、交流ロスも低減されており、良好な臨界電流密度Ｊｃが実現できていることが分かる。
【００５５】
【表２】
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】ブロンズ法に適用される超電導線材製造用前駆体の構成例を模式的に示した断面図である。
【図２】内部拡散法に適用される超電導線材製造用前駆体の構成例を模式的に示した断面図である。
【図３】本発明の前駆体の要部を示す断面図である。
【図４】本発明の前駆体の具体的構成例を示す要部断面図である。
【図５】本発明の前駆体の他の具体的構成例を示す要部断面図である。
【符号の説明】
【００５７】
１ Ｃｕ−Ｓｎ基合金マトリクス
２ Ｎｂ基金属芯材
３ Ｓｎ基金属芯
４ Ｃｕ基合金（Ｃｕ母材）
５ Ｎｂ基合金芯
６，６ａ 拡散障壁層
７ 安定化銅層
１０ マトリクス
１１ Ｎｂ基フィラメント
１２ ＣｕまたはＣｕ基合金からなる層
１５ 超電導コア部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材を製造する際に用いる超電導線材製造用前駆体であって、Ｃｕ−Ｓｎ基合金中に、複数本のＮｂまたはＮｂ基合金からなるＮｂ基フィラメントが配置された超電導コア部と、その外周にＮｂからなる拡散障壁層および安定化銅層を有する超電導線材製造用前駆体において、
前記拡散障壁層の内周面から、前記超電導コア部の最外層部に存在するＮｂ基フィラメントまでの距離を、減面加工後の最終形状で２μｍ以上に設定したものであることを特徴とするＮｂ3Ｓｎ超電導線材製造用前駆体。
【請求項２】
前記拡散障壁層の内周面から、前記超電導コア部の最外層部に存在するＮｂ基フィラメントまでの距離が１０μｍ以下である請求項１に記載のＮｂ3Ｓｎ超電導線材製造用前駆体。
【請求項３】
Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材を製造する際に用いる超電導線材製造用前駆体であって、ＣｕまたはＣｕ基合金中に、１本または複数本のＮｂまたはＮｂ基合金からなるＮｂ基フィラメントと、１本または複数本のＳｎまたはＳｎ基合金芯が配置された超電導コア部と、その外周にＮｂからなる拡散障壁層および安定化銅層を有する超電導線材製造用前駆体において、
前記拡散障壁層の内周面から、前記超電導コア部の最外層部に存在するＮｂ基フィラメントまでの距離を、減面加工後の最終形状で２μｍ以上に設定したものであることを特徴とするＮｂ3Ｓｎ超電導線材製造用前駆体。
【請求項４】
前記拡散障壁層の内周面から、前記超電導コア部の最外層部に存在するＮｂ基フィラメントまでの距離が４０μｍ以下である請求項３に記載のＮｂ3Ｓｎ超電導線材製造用前駆体。
【請求項５】
前記拡散障壁層の内周全面に、ＣｕまたはＣｕ基合金からなる層が形成され、前記距離を２μｍ以上としたものである請求項１〜４のいずれかに記載のＮｂ3Ｓｎ超電導線材製造用前駆体。
【請求項６】
前記拡散障壁層の内周面のうち、前記Ｎｂ基フィラメントが近接する位置に、ＴａまたはＣｕ若しくはＣｕ基合金からなる層が形成され、前記距離を２μｍ以上としたものである請求項１〜５のいずれかに記載のＮｂ3Ｓｎ超電導線材製造用前駆体。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載の超電導線材製造用前駆体に対して、Ｎｂ３Ｓｎ生成熱処理を施すことによってＮｂ３Ｓｎ系超電導相を形成することを特徴とするＮｂ3Ｓｎ超電導線材の製造方法。
【請求項１】
Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材を製造する際に用いる超電導線材製造用前駆体であって、Ｃｕ−Ｓｎ基合金中に、複数本のＮｂまたはＮｂ基合金からなるＮｂ基フィラメントが配置された超電導コア部と、その外周にＮｂからなる拡散障壁層および安定化銅層を有する超電導線材製造用前駆体において、
前記拡散障壁層の内周面から、前記超電導コア部の最外層部に存在するＮｂ基フィラメントまでの距離を、減面加工後の最終形状で２μｍ以上に設定したものであることを特徴とするＮｂ3Ｓｎ超電導線材製造用前駆体。
【請求項２】
前記拡散障壁層の内周面から、前記超電導コア部の最外層部に存在するＮｂ基フィラメントまでの距離が１０μｍ以下である請求項１に記載のＮｂ3Ｓｎ超電導線材製造用前駆体。
【請求項３】
Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材を製造する際に用いる超電導線材製造用前駆体であって、ＣｕまたはＣｕ基合金中に、１本または複数本のＮｂまたはＮｂ基合金からなるＮｂ基フィラメントと、１本または複数本のＳｎまたはＳｎ基合金芯が配置された超電導コア部と、その外周にＮｂからなる拡散障壁層および安定化銅層を有する超電導線材製造用前駆体において、
前記拡散障壁層の内周面から、前記超電導コア部の最外層部に存在するＮｂ基フィラメントまでの距離を、減面加工後の最終形状で２μｍ以上に設定したものであることを特徴とするＮｂ3Ｓｎ超電導線材製造用前駆体。
【請求項４】
前記拡散障壁層の内周面から、前記超電導コア部の最外層部に存在するＮｂ基フィラメントまでの距離が４０μｍ以下である請求項３に記載のＮｂ3Ｓｎ超電導線材製造用前駆体。
【請求項５】
前記拡散障壁層の内周全面に、ＣｕまたはＣｕ基合金からなる層が形成され、前記距離を２μｍ以上としたものである請求項１〜４のいずれかに記載のＮｂ3Ｓｎ超電導線材製造用前駆体。
【請求項６】
前記拡散障壁層の内周面のうち、前記Ｎｂ基フィラメントが近接する位置に、ＴａまたはＣｕ若しくはＣｕ基合金からなる層が形成され、前記距離を２μｍ以上としたものである請求項１〜５のいずれかに記載のＮｂ3Ｓｎ超電導線材製造用前駆体。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載の超電導線材製造用前駆体に対して、Ｎｂ３Ｓｎ生成熱処理を施すことによってＮｂ３Ｓｎ系超電導相を形成することを特徴とするＮｂ3Ｓｎ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２００７−２２７１４８（Ｐ２００７−２２７１４８Ａ）
【公開日】平成１９年９月６日（２００７．９．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−４６７４２（Ｐ２００６−４６７４２）
【出願日】平成１８年２月２３日（２００６．２．２３）
【出願人】（５０２１４７４６５）ジャパンスーパーコンダクタテクノロジー株式会社 (56)
【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１９年９月６日（２００７．９．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年２月２３日（２００６．２．２３）
【出願人】（５０２１４７４６５）ジャパンスーパーコンダクタテクノロジー株式会社 (56)
【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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