Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材の製造方法
【課題】伸線加工後にも均一な断面形状を維持し、加工による特性低下のないＮｂ3Ｓｎ超電導線材の製造方法を提供する。
【解決手段】芯材２の周囲に金属シートを巻き付けて、Ｎｂ3Ｓｎを形成するためのジェリーロール層５を形成し、これを縮径加工した後に熱処理してＮｂ3Ｓｎを生成するＮｂ3Ｓｎ超電導線材の製造方法であって、芯材２としてＳｎまたはＳｎ合金を用い、その芯材２の周囲にＮｂまたはＮｂ合金シート３とＣｕまたはＣｕ合金シート４とを重ね合わせて巻き付けてジェリーロール層５を形成する。
【解決手段】芯材２の周囲に金属シートを巻き付けて、Ｎｂ3Ｓｎを形成するためのジェリーロール層５を形成し、これを縮径加工した後に熱処理してＮｂ3Ｓｎを生成するＮｂ3Ｓｎ超電導線材の製造方法であって、芯材２としてＳｎまたはＳｎ合金を用い、その芯材２の周囲にＮｂまたはＮｂ合金シート３とＣｕまたはＣｕ合金シート４とを重ね合わせて巻き付けてジェリーロール層５を形成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高磁場マグネットなどに応用可能な高臨界電流密度を有するＮｂ3Ｓｎ超電導線材の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材の製造方法としては、従来よりブロンズ法が広く用いられている。ブロンズ法は、Ｃｕ−Ｓｎ合金マトリクス中にＮｂフィラメントを配置した構造のＮｂ3Ｓｎ超電導線材を作製する方法であり、縮径加工、例えば伸線加工後に熱処理を施すことによりＣｕ−Ｓｎ合金中のＳｎがＮｂフィラメントに拡散し、Ｎｂフィラメントの表面にＮｂ3Ｓｎを生成する方法である。しかし、Ｃｕ−Ｓｎ合金におけるＳｎの固溶限は１６質量％程度が上限であるため、それ以上のＮｂ3Ｓｎの生成はできなく、臨界電流値Ｉｃにも限界が生じていた。そこで、Ｓｎの供給源をＣｕ−Ｓｎ合金以外の方法で行い、より多くのＳｎを供給できるジェリーロール法が開発された（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
ジェリーロール法は、図３に示すように、ＮｂまたはＮｂ合金シート３６とＳｎまたはＳｎ合金シート３７とを重ね合わせ、これを巻き芯となるＮｂ合金やＣｕなどからなる芯材３２の周りに多数回巻き付けてジェリーロール層３３を形成し、その外周にＮｂあるいはＮｂ合金またはＴａなどの拡散バリア層３４とＣｕ安定化層３５を設けて一次複合線材３１を形成した後、これを伸線加工して縮径し、熱処理を行うことにより、ＮｂまたはＮｂ合金シート３６とＳｎまたはＳｎ合金シート３７からＮｂ3Ｓｎを生成して超電導線材を得る方法である。
【０００４】
ジェリーロール法では、ＳｎまたはＳｎ合金シート３７あるいはＮｂまたはＮｂ合金シート３６の厚みを調整することでＳｎの組込量を任意に選択することができ、ブロンズ法に比較して多くのＳｎ供給が可能である。よって、Ｎｂ3Ｓｎの生成量を増大して超電導線材の臨界電流値Ｉｃを向上することが可能である。
【０００５】
例えば、従来のブロンズ法では、安定化銅を除く線材断面積で臨界電流値Ｉｃを除して得られるｎｏｎ−Ｃｕ Ｊｃ（非銅部面積基準臨界電流密度）が２０Ｔの磁場中で１００Ａ／ｍｍ2程度であるが、これに対しジェリーロール法による超電導線材３１では２０Ｔの磁場中で２５０Ａ／ｍｍ2以上の高いｎｏｎ−Ｃｕ Ｊｃが得られている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−５９７５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ジェリーロール層３３としてＮｂ合金シート３６とＳｎ合金シート３７を重ねて巻いた場合、巻き重ねた状態でのジェリーロール層３３はＮｂ合金シート３６とＳｎ合金シート３７が整然と交互に積層された渦巻き状の構造となっている。
【０００８】
しかしながら、これを伸線加工により所定の線径に縮径すると、図４に示すように、次第にジェリーロール層３３の積層構造が崩れていき、Ｎｂ合金シート３６、Ｓｎ合金シート３７ともに元々のシート形状が大きく変形するか、あるいは細かく分断した状態となってしまう。
【０００９】
この状態でＮｂ3Ｓｎを生成するための熱処理を行い、超電導線材の断面を観察したところ、ジェリーロール層３３の部分には層状構造のＮｂ3Ｓｎは生成せず、大きく変形した状態、あるいは不連続に分散した状態のＮｂ3Ｓｎしか生成できなかった。
【００１０】
超電導線材の臨界電流値Ｉｃは、特性の低い部分で超電導線材全長の特性が制限されてしまうので、上記のように不均質な形状のＮｂ3Ｓｎの場合には、超電導特性に寄与できない部分が多く存在することになる。よって、多くのＮｂ3Ｓｎを生成しても、生成したＮｂ3Ｓｎの量ほどの臨界電流密度Ｊｃの向上の効果が得られないという欠点があった。
【００１１】
ここで、ジェリーロール層３３の作製に使用されているＮｂの硬さはビッカース硬さで１５０以上であり、Ｎｂ合金ではさらにこれ以上の硬さを示す。これに対し、Ｓｎ合金のビッカース硬さは３０程度である。このような硬さの異なる、すなわち変形しやすさの異なる材料を隣接して配置し伸線加工した場合に、両者が均等に加工されないことが不均一変形の原因である。
【００１２】
また、Ｎｂ合金やＣｕなどからなる芯材３２の周りにＮｂ合金シート３６とＳｎ合金シート３７を巻いて作製した一次複合線材３１を伸線加工した場合、あるいは伸線加工した一次複合線材３１を用いてさらに多芯線材を作製し、この伸線加工を進めていった場合には、図５に示すように、ジェリーロール層３３を巻き付けるのに使用した芯材３２の断面積が、一次複合線材３１の長手方向に沿って変動する現象（以下、ネッキングと称する）が見られ、伸線加工中に断線する原因となっていた。
【００１３】
伸線加工におけるネッキング現象の発生原因の一つは、中心が硬く、その周囲が軟らかい材料で構成したためであることが知られている。従来の超電導線材は、ジェリーロール層３３の部分が軟らかいＳｎ合金を含むのに対して、中心の芯材３２がそれより硬いＮｂやＣｕなどの材料を用いているために、ネッキングが発生しやすい構造であった。
【００１４】
そこで、本発明の目的は、縮径加工後にも均一な断面形状を維持し、加工による特性低下のない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】
【００１５】
本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、請求項１の発明は、芯材の周囲に金属シートを巻き付けて、Ｎｂ3Ｓｎを形成するためのジェリーロール層を形成し、これを縮径加工した後に熱処理してＮｂ3Ｓｎを生成するＮｂ3Ｓｎ超電導線材の製造方法であって、前記芯材としてＳｎまたはＳｎ合金を用い、その芯材の周囲にＮｂまたはＮｂ合金シートとＣｕまたはＣｕ合金シートとを重ね合わせて巻き付けて前記ジェリーロール層を形成するＮｂ3Ｓｎ超電導線材の製造方法である。
【００１６】
請求項２の発明は、前記ＮｂまたはＮｂ合金シートと前記ＣｕまたはＣｕ合金シートの厚みの比率（ＮｂまたはＮｂ合金シートの厚み／ＣｕまたはＣｕ合金シートの厚み）が、１以上４以下である請求項１記載のＮｂ3Ｓｎ超電導線材の製造方法である。
【００１７】
請求項３の発明は、芯材の周囲に金属シートを巻き付けて、Ｎｂ3Ｓｎを形成するためのジェリーロール層を形成し、これを伸線加工した後に熱処理してＮｂ3Ｓｎを生成するＮｂ3Ｓｎ超電導線材の製造方法であって、前記芯材としてＳｎまたはＳｎ合金を用い、ＣｕまたはＣｕ合金シート上に、ＮｂまたはＮｂ合金シートを所定の長さに切断した短冊シートを所定の間隔で貼り合わせて、これを圧延加工して一体化した複合シートを形成し、その複合シートを前記芯材の周囲に巻き付けて前記ジェリーロール層を形成するＮｂ3Ｓｎ超電導線材の製造方法である。
【００１８】
請求項４の発明は、前記芯材に前記ＣｕまたはＣｕ合金シートを直接接触させて前記ジェリーロール層を形成する請求項１〜３いずれかに記載のＮｂ3Ｓｎ超電導線材の製造方法である。
【００１９】
請求項５の発明は、前記芯材の周囲にＣｕを含む材料からなる層を設けた後、前記ジェリーロール層を形成する請求項１〜４いずれかに記載のＮｂ3Ｓｎ超電導線材の製造方法である。
【００２０】
請求項６の発明は、前記ジェリーロール層中のＮｂと前記芯材中のＳｎとの体積比率（Ｎｂの体積／Ｓｎの体積）が１．５以上２．５以下である請求項１〜５いずれかに記載のＮｂ3Ｓｎ超電導線材の製造方法である。
【００２１】
請求項７の発明は、前記芯材のＳｎ合金に含まれる元素が、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｖ、Ｃｕのグループから選択される１種類または２種以上の元素からなる請求項１〜６いずれかに記載のＮｂ3Ｓｎ超電導線材の製造方法である。
【００２２】
請求項８の発明は、前記Ｃｕ合金シートに含まれる元素が、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ａｇのグループから選択される１種類または２種以上の元素からなる請求項１〜７いずれかに記載のＮｂ3Ｓｎ超電導線材の製造方法である。
【００２３】
請求項９の発明は、前記Ｎｂ合金シートに含まれる元素が、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖのグループから選択される１種類または２種以上の元素からなる請求項１〜８いずれかに記載のＮｂ3Ｓｎ超電導線材の製造方法である。
【００２４】
請求項１０の発明は、前記芯材の周囲に前記ジェリーロール層を形成した後、これを伸線加工して縮径し、１５０℃以上６５０℃以下の温度領域を５０時間以上１５０時間以下かけて昇温し、さらに６５０℃以上７５０℃以下の温度で１００時間以上２００時間以下熱処理する請求項１〜９いずれかに記載のＮｂ3Ｓｎ超電導線材の製造方法である。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、芯材として軟らかいＳｎまたはＳｎ合金を用い、この芯材に硬さの近いＮｂまたはＮｂ合金シートとＣｕまたはＣｕ合金シートを重ね合わせて巻き付けてジェリーロール層を形成することによって、縮径加工後にも均一な断面形状を維持でき、層状かつ長手方向に連続的なＮｂ3Ｓｎを生成できるため、縮径加工による特性低下を抑制できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面にしたがって説明する。
【００２７】
図１は、Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材となる縮径加工前の一次複合線材の横断面図である。
【００２８】
一次複合線材１は、ＳｎまたはＳｎ合金からなる芯材２と、その芯材２の周囲にＮｂまたはＮｂ合金シート３とＣｕまたはＣｕ合金シート４とを重ね合わせて巻き付けて形成したジェリーロール層５と、そのジェリーロール層５の周囲に形成した拡散バリア層６と、その拡散バリア層６の周囲に形成したＣｕ安定化層７とからなる。
【００２９】
拡散バリア層６は、例えば、ジェリーロール層５の周囲にＮｂ−Ｔａシートを巻き付けて形成される。また、Ｃｕ安定化層７としては、例えば、銅パイプを用いるとよい。
【００３０】
芯材２をＳｎ合金としたとき、そのＳｎ合金に含まれる元素としては、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｖ、Ｃｕのグループから選択される１種類または２種以上の元素を用いるとよい。
【００３１】
ＮｂまたはＮｂ合金シート３をＮｂ合金としたとき、そのＮｂ合金に含まれる元素としては、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖのグループから選択される１種類または２種以上の元素を用いるとよい。
【００３２】
ＣｕまたはＣｕ合金シート４をＣｕ合金としたとき、そのＣｕ合金に含まれる元素としては、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ａｇのグループから選択される１種類または２種以上の元素を用いるとよい。
【００３３】
図１の一次複合線材１を作製する際には、ＣｕまたはＣｕ合金シート４をＮｂまたはＮｂ合金シート３よりも内側（芯材２側）にして、芯材２とＣｕまたはＣｕ合金シート４とが直接接触するように巻き付ける。
【００３４】
また、両シート３、４を巻き付ける長さ（巻き回数）は、ジェリーロール層５中のＮｂと芯材２中のＳｎの体積比率（Ｎｂの体積／Ｓｎの体積）が１．５以上２．５以下となるように決定するとよい。これは、生成するＮｂ3ＳｎのＮｂとＳｎの原子数比は３：１であり、体積比では約２：１に相当することから、ジェリーロール層５中のＮｂと芯材２中のＳｎの体積比率をおおよそこの付近の値とするためである。
【００３５】
また、ＮｂまたはＮｂ合金シート３とＣｕまたはＣｕ合金シート４の厚みの比率（ＮｂまたはＮｂ合金シート３の厚み／ＣｕまたはＣｕ合金シート４の厚み）は、１以上４以下であるとよい。これは、ＮｂまたはＮｂ合金シート３とＣｕまたはＣｕ合金シート４の厚みの比率が１未満であると、後述する熱処理工程でＳｎの拡散経路が少なくなりＮｂ3Ｓｎの生成が不十分となってしまい、厚みの比率が４を超えるとジェリーロール層５でのＮｂの割合が減少してしまい、Ｎｂ3Ｓｎの生成量が少なくなり、高い臨界電流特性が得られないためである。
【００３６】
具体的には、ＮｂまたはＮｂ合金シート３の厚みは１００μｍ以上３００μｍ以下、ＣｕまたはＣｕ合金シート４の厚みは７５μｍ以上１００μｍ以下であるとよい。両シート３、４の幅は、芯材２の長さと同じとするとよい。
【００３７】
ジェリーロール層５を形成した後、その周囲にＮｂ−Ｔａシートなどを巻き付けて拡散バリア層６を形成し、これをＣｕ安定化層７となる銅パイプなどに挿入すると図１の一次複合線材１が得られる。
【００３８】
本実施形態では、芯材２の周囲にＮｂまたはＮｂ合金シート３とＣｕまたはＣｕ合金シート４とを重ね合わせて巻き付けてジェリーロール層５を形成したが、ＮｂまたはＮｂ合金シート３とＣｕまたはＣｕ合金シート４とをあらかじめ圧延加工して一体化して複合シートを形成し、この複合シートを芯材２の周囲に巻き付けてジェリーロール層５を形成してもよい。
【００３９】
また、芯材２の周囲にＣｕを含む材料からなる層を形成した後に、ジェリーロール層５を形成してもよい。Ｃｕを含む材料からなる層は、例えば、芯材２の周囲にあらかじめＣｕを被覆するか、あるいは芯材２の周囲にあらかじめＣｕまたはＣｕ合金シート４を所定の長さ巻き付けて形成するとよい。これにより、ジェリーロール層５を形成する工程で芯材２が曲がったり、傷がついたりするのを抑制でき、芯材２の取扱い性を向上させることができる。
【００４０】
以上のようにして一次複合線材１を作製した後、この一次複合線材１を伸線加工して縮径する。その後、伸線加工した複数の一次複合線材１を銅パイプなどに挿入して多芯線材とし、この多芯線材をさらに伸線加工して縮径する。
【００４１】
このとき、各一次複合線材１のジェリーロール層５を構成する材料として、硬さの近いＮｂまたはＮｂ合金シート３とＣｕまたはＣｕ合金シート４を用いているため、ＮｂまたはＮｂ合金シート３とＣｕまたはＣｕ合金シート４は均等に伸線加工され、一次複合線材１はそのジェリーロール層５が均質な層状構造を維持したまま伸線加工される。
【００４２】
さらに、各一次複合線材１の芯材２としてＳｎまたはＳｎ合金を用いているため、中心（芯材２）の硬さが周囲のジェリーロール層５のＮｂまたはＮｂ合金シート３とＣｕまたはＣｕ合金シート４よりも小さくなり、伸線加工の際に芯材２のネッキングが発生しない。
【００４３】
多芯線材を伸線加工した後、伸線加工した多芯線材に熱処理を行う。
【００４４】
この熱処理により、芯材２のＳｎがジェリーロール層５のＣｕと相互拡散し、ＮｂまたはＮｂ合金シート３に移動してＮｂ3Ｓｎが生成される。
【００４５】
本発明では、Ｎｂ3Ｓｎを生成するために必要なＳｎを芯材２から供給しており、芯材２のＳｎはＣｕと相互拡散してＮｂまたはＮｂ合金シート３まで移動する必要がある。よって、芯材２の周囲がＮｂやＴａなどの材料で囲まれているとＳｎとＣｕの相互拡散が起こりにくくなるため、芯材２とＣｕまたはＣｕ合金シート４とを直接接触させる構造にする。
【００４６】
各一次複合線材１のジェリーロール層５はその層状構造を均質に維持しているため、Ｎｂ3ＳｎはＮｂまたはＮｂ合金シート３の部分に層状かつ長手方向に連続的に生成される。
【００４７】
熱処理を行う際には、Ｓｎの溶融温度は２３２℃であるため、５０時間未満の時間で焼成温度（６５０℃以上７５０℃以下）まで昇温すると、多芯線材の端末から芯材２のＳｎが溶け出し、特性の低下をもたらしてしまう。よって、ＣｕとＳｎが十分に拡散するように、１５０℃以上６５０℃以下の温度領域を５０時間以上１５０時間以下かけて昇温し、さらに６５０℃以上７５０℃以下の温度で１００時間以上２００時間以下熱処理することが好ましい。
【００４８】
以上により、Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材が得られる。
【００４９】
このように、本発明では、ジェリーロール層５を構成する材料として、硬さの近いＮｂまたはＮｂ合金シート３とＣｕまたはＣｕ合金シート４を用いている。これにより、両者の硬さの差が従来のＮｂ合金とＳｎ合金の場合に比べて小さくなり、ジェリーロール層５の層状構造を均質に維持したまま伸線加工して縮径することが可能となり、ＮｂまたはＮｂ合金シート３の部分にＮｂ3Ｓｎを層状かつ長手方向に連続的に生成することができる。
【００５０】
さらに、本発明では、芯材２としてＳｎまたはＳｎ合金を用いているため、中心（芯材２）の硬さが小さく、その周囲のジェリーロール層５がＳｎよりも硬いＮｂまたはＮｂ合金シート３とＣｕまたはＣｕ合金シート４という配置にすることができ、芯材２のネッキングを防止できる。よって、伸線加工中に芯材２が断線することがなく、長尺線材の加工が可能になる。
【００５１】
つまり、本発明によれば、伸線加工中にジェリーロール層３の層状構造が崩れたり、芯材２が断線することがなく、層状かつ長手方向に連続的にＮｂ3Ｓｎを生成できる。よって、伸線加工による特性低下を抑制でき、高い臨界電流密度Ｊｃ（または非銅部面積基準臨界電流密度：ｎｏｎ−Ｃｕ Ｊｃ）を有するＮｂ3Ｓｎ超電導線材を得ることができる。
【００５２】
また、本発明では、芯材２とジェリーロール層３に用いるＣｕまたはＣｕ合金シート４とを直接接触させているため、芯材２のＳｎとＣｕまたはＣｕ合金シート４のＣｕとが相互拡散しやすくなり、十分な量のＮｂ3Ｓｎを生成できる。
【００５３】
次に、本発明の他の実施の形態を説明する。
【００５４】
図２に示す一次複合線材２１は、ジェリーロール層２５を除いて図１の一次複合線材１と基本的に同じ構成である。
【００５５】
ジェリーロール層２５の周囲には、図１の一次複合線材１と同様に、拡散バリア層６、およびＣｕ安定化層７が順次設けられる。
【００５６】
この一次複合線材２１を伸線加工して縮径し、さらに伸線加工した複数の一次複合線材２１を銅パイプなどに挿入して多芯線材とし、この多芯線材を伸線加工した後に熱処理を行えば、Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材が得られる。
【００５７】
ジェリーロール層２５は、ＣｕまたはＣｕ合金シート２２上に、ＮｂまたはＮｂ合金シートを所定の長さに切断した短冊シート２３を所定の間隔で貼り合わせて、これを圧延加工して一体化した複合シート２４を形成し、この複合シート２４を芯材２の周囲に巻き付けて形成される。
【００５８】
複合シート２４は、芯材２に巻き付ける際、内側（芯材２側）から外側へ向かって円周長が除々に大きくなるため、短冊シート２３の長さは、芯材２側に配置されるものが短く、より外側に配置されるものが順次長くなるようにするとよい。また、短冊シート２３の間隔と短冊シート２３の長さとで半円周長となるようにする。
【００５９】
これにより、ジェリーロール層２５は、複合シート２４の各短冊シート２３が径方向で略半円弧状となり、また各短冊シート２３間（半円弧間）がＣｕまたはＣｕ合金シート２２のみとなり、これが径方向に連続するようになる。
【００６０】
一次複合線材２１は、ジェリーロール層２５のＣｕまたはＣｕ合金シート２２が径方向にも一部接続した構造となるため、熱処理の際に芯材２から供給されるＳｎを径方向にも拡散させることができ、Ｓｎの拡散にかかる時間を短縮できる。よって、熱処理の時間を短縮させることができ、生産性を高めることができる。
【００６１】
また、ＮｂまたはＮｂ合金からなる短冊シート２３を間隔をおいて配置することで、芯材２の周囲に複合シート２４を巻き付けやすくなる。
【実施例】
【００６２】
（実施例１）
直径１０ｍｍのＳｎ−２質量％Ｔｉ製の丸棒を芯材２とし、この周囲にＳｎ合金からなる芯材２とＣｕシート４を接触させるため、まず厚さ１００μｍのＣｕシート４を２周巻き付け、次に厚さ２００μｍのＮｂ−５質量％Ｔａシート３をＣｕシート４と重ねて、これを約１６周巻き重ねてジェリーロール層５を形成した。さらに、その周りに拡散バリア層６として厚さ２００μｍのＮｂ−５質量％Ｔａシートを５周巻き、これをＣｕ安定化層７となる内径２３ｍｍ、外径２６ｍｍのＣｕパイプに入れて、図１の一次複合線材１を作製した。
【００６３】
この一次複合線材１に伸線加工を施して、対辺間寸法が１．５ｍｍの六角断面形状の線材を作製し、所定の長さに切断し、１９９本を再度内径２４ｍｍ、外径２８ｍｍのＣｕパイプ中に組み込んで多芯線材を作製し、さらに伸線加工して直径１ｍｍの多芯線材を作製した。
【００６４】
伸線加工中の断線は発生せず、断面の観察からも断面形状の不均一化は認められなかった。作製した多芯線材の一部を６５０℃以上７５０℃以下で１００時間以上２００時間以下の条件で熱処理を行い、Ｎｂ3Ｓｎの生成を行った。
【００６５】
熱処理後の試料を温度４．２Ｋの液体ヘリウム中で１２Ｔの磁場を加えて臨界電流値を測定した。その結果、ｎｏｎ−Ｃｕ Ｊｃは約３０００Ａ／ｍｍ2と非常に高い特性を示した。これは、本発明により、伸線加工中のジェリーロール層５の断面形状の不均一化が抑制されたため、超電導電流の流れるＮｂ3Ｓｎが連続的に均一に生成した結果と考えられる。
【００６６】
（実施例２）
直径１０ｍｍのＳｎ−２質量％Ｔｉ製の丸棒を芯材２とし、この周囲にＮｂ−５質量％Ｔａシート３とＣｕシート４をあらかじめ圧延加工して一体化した厚さ３００μｍの複合シートを約１６周巻き重ねてジェリーロール層５を形成した。さらにその周りに拡散バリア層６として厚さ２００μｍのＮｂ−５質量％Ｔａシートを５周巻き、これをＣｕ安定化層７となる内径２３ｍｍ、外径２６ｍｍの銅パイプに入れて一次複合線材１を作製した。
【００６７】
この一次複合線材１に伸線加工を施して、対辺間寸法が１．５ｍｍの六角断面形状の線材を作製し、所定の長さに切断し、１９９本を再度内径２４ｍｍ、外径２８ｍｍのＣｕパイプ中に組み込んで多芯線材を作製し、さらに伸線加工して直径１ｍｍの多芯線材を作製した。
【００６８】
作製した多芯線材の一部を６５０℃以上７５０℃以下で１００時間以上２００時間以下の条件で熱処理を行い、温度４．２Ｋの液体ヘリウム中で１２Ｔの磁場を加えて臨界電流値を測定した。その結果、実施例２においても、約３０００Ａ／ｍｍ2の高いｎｏｎ−Ｃｕ Ｊｃが得られた。
【００６９】
（実施例３）
長さ１５ｍｍ以上３０ｍｍ以下に切断したＮｂ合金シート２３を、それぞれ数ｍｍの間隔をおいてＣｕシート２２上に重ねて、これを圧延加工して一体化した複合シート２４を作製し、直径１０ｍｍのＳｎ−２質量％Ｔｉ製の丸棒からなる芯材２の周囲に厚さ３００μｍの複合シート２４を約１６周巻き重ねてジェリーロール層２５を形成した。これにより、Ｃｕシート２２が径方向にも一部連続した構造となり、径方向にもＳｎの拡散が可能となる。
【００７０】
さらにその周りに拡散バリア層６として厚さ２００μｍのＮｂ−５質量％Ｔａを５周巻き、これをＣｕ安定化層７となる内径２３ｍｍ、外径２６ｍｍの銅パイプに入れて、図２の一次複合線材２１を作製した。これに伸線加工を施して、対辺間寸法が１．５ｍｍの六角断面形状の線材を作製し、所定の長さに切断し、１９９本を再度内径２４ｍｍ、外径２８ｍｍのＣｕパイプ中に組み込んで多芯線材を作製し、さらに伸線加工して直径１ｍｍの多芯線材を作製した。
【００７１】
作製した多芯線材の一部を６５０℃以上７５０℃以下で１００時間以上２００時間以下の条件で熱処理を行った。その結果、実施例３では、１５０℃以上６５０℃以下の温度領域を通過する時間として２４時間まで時間を短くしても芯材２のＳｎが線材端末から溶け出さず、熱処理時間の短縮が可能となり、ｎｏｎ−Ｃｕ Ｊｃも実施例１、２と同等の特性が得られた。
【００７２】
（実施例４）
実施例１で用いたＳｎ合金芯材２の代わりに、Ｓｎ合金の周囲にあらかじめＣｕを被覆した芯材を用いて、実施例１と同様にＮｂ3Ｓｎ超電導線材を作製した。作製したＮｂ3Ｓｎ超電導線材を用い、実施例１と同様にして臨界電流値を測定したところ、実施例１と同程度の高いｎｏｎ−Ｃｕ Ｊｃが得られた。
【００７３】
よって、Ｓｎ合金の周囲にあらかじめＣｕを被覆した芯材を用いても高いｎｏｎ−Ｃｕ Ｊｃが得られることが分かった。Ｃｕ被覆により、Ｓｎ合金だけの芯材２の場合にはＳｎ合金が軟らかいため、曲げたり、傷をつけたりしないように注意を要したが、Ｓｎ合金表面をＣｕで被覆することで、芯材の取扱い性が向上し、ジェリーロール層を形成する工程が容易になった。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明の好適な実施形態を示すＮｂ3Ｓｎ超電導線材の製造方法で作製する一次複合線材の横断面図である。
【図２】本発明の他の実施形態に係るＮｂ3Ｓｎ超電導線材の製造方法で作製する一次複合線材の横断面図である。
【図３】従来のＮｂ3Ｓｎ超電導線材の製造方法で作製する一次複合線材の横断面図である。
【図４】図３の一次複合線材に伸線加工を行った際に発生するジェリーロール層の層状構造の分散を説明する図である。
【図５】図３の一次複合線材に伸線加工を行った際に発生する芯材のネッキングを説明する図である。
【符号の説明】
【００７５】
１ 一次複合線材
２ 芯材
３ ＮｂまたはＮｂ合金シート
４ ＣｕまたはＣｕ合金シート
５ ジェリーロール層
６ 拡散バリア層
７ Ｃｕ安定化層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高磁場マグネットなどに応用可能な高臨界電流密度を有するＮｂ3Ｓｎ超電導線材の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材の製造方法としては、従来よりブロンズ法が広く用いられている。ブロンズ法は、Ｃｕ−Ｓｎ合金マトリクス中にＮｂフィラメントを配置した構造のＮｂ3Ｓｎ超電導線材を作製する方法であり、縮径加工、例えば伸線加工後に熱処理を施すことによりＣｕ−Ｓｎ合金中のＳｎがＮｂフィラメントに拡散し、Ｎｂフィラメントの表面にＮｂ3Ｓｎを生成する方法である。しかし、Ｃｕ−Ｓｎ合金におけるＳｎの固溶限は１６質量％程度が上限であるため、それ以上のＮｂ3Ｓｎの生成はできなく、臨界電流値Ｉｃにも限界が生じていた。そこで、Ｓｎの供給源をＣｕ−Ｓｎ合金以外の方法で行い、より多くのＳｎを供給できるジェリーロール法が開発された（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
ジェリーロール法は、図３に示すように、ＮｂまたはＮｂ合金シート３６とＳｎまたはＳｎ合金シート３７とを重ね合わせ、これを巻き芯となるＮｂ合金やＣｕなどからなる芯材３２の周りに多数回巻き付けてジェリーロール層３３を形成し、その外周にＮｂあるいはＮｂ合金またはＴａなどの拡散バリア層３４とＣｕ安定化層３５を設けて一次複合線材３１を形成した後、これを伸線加工して縮径し、熱処理を行うことにより、ＮｂまたはＮｂ合金シート３６とＳｎまたはＳｎ合金シート３７からＮｂ3Ｓｎを生成して超電導線材を得る方法である。
【０００４】
ジェリーロール法では、ＳｎまたはＳｎ合金シート３７あるいはＮｂまたはＮｂ合金シート３６の厚みを調整することでＳｎの組込量を任意に選択することができ、ブロンズ法に比較して多くのＳｎ供給が可能である。よって、Ｎｂ3Ｓｎの生成量を増大して超電導線材の臨界電流値Ｉｃを向上することが可能である。
【０００５】
例えば、従来のブロンズ法では、安定化銅を除く線材断面積で臨界電流値Ｉｃを除して得られるｎｏｎ−Ｃｕ Ｊｃ（非銅部面積基準臨界電流密度）が２０Ｔの磁場中で１００Ａ／ｍｍ2程度であるが、これに対しジェリーロール法による超電導線材３１では２０Ｔの磁場中で２５０Ａ／ｍｍ2以上の高いｎｏｎ−Ｃｕ Ｊｃが得られている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−５９７５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ジェリーロール層３３としてＮｂ合金シート３６とＳｎ合金シート３７を重ねて巻いた場合、巻き重ねた状態でのジェリーロール層３３はＮｂ合金シート３６とＳｎ合金シート３７が整然と交互に積層された渦巻き状の構造となっている。
【０００８】
しかしながら、これを伸線加工により所定の線径に縮径すると、図４に示すように、次第にジェリーロール層３３の積層構造が崩れていき、Ｎｂ合金シート３６、Ｓｎ合金シート３７ともに元々のシート形状が大きく変形するか、あるいは細かく分断した状態となってしまう。
【０００９】
この状態でＮｂ3Ｓｎを生成するための熱処理を行い、超電導線材の断面を観察したところ、ジェリーロール層３３の部分には層状構造のＮｂ3Ｓｎは生成せず、大きく変形した状態、あるいは不連続に分散した状態のＮｂ3Ｓｎしか生成できなかった。
【００１０】
超電導線材の臨界電流値Ｉｃは、特性の低い部分で超電導線材全長の特性が制限されてしまうので、上記のように不均質な形状のＮｂ3Ｓｎの場合には、超電導特性に寄与できない部分が多く存在することになる。よって、多くのＮｂ3Ｓｎを生成しても、生成したＮｂ3Ｓｎの量ほどの臨界電流密度Ｊｃの向上の効果が得られないという欠点があった。
【００１１】
ここで、ジェリーロール層３３の作製に使用されているＮｂの硬さはビッカース硬さで１５０以上であり、Ｎｂ合金ではさらにこれ以上の硬さを示す。これに対し、Ｓｎ合金のビッカース硬さは３０程度である。このような硬さの異なる、すなわち変形しやすさの異なる材料を隣接して配置し伸線加工した場合に、両者が均等に加工されないことが不均一変形の原因である。
【００１２】
また、Ｎｂ合金やＣｕなどからなる芯材３２の周りにＮｂ合金シート３６とＳｎ合金シート３７を巻いて作製した一次複合線材３１を伸線加工した場合、あるいは伸線加工した一次複合線材３１を用いてさらに多芯線材を作製し、この伸線加工を進めていった場合には、図５に示すように、ジェリーロール層３３を巻き付けるのに使用した芯材３２の断面積が、一次複合線材３１の長手方向に沿って変動する現象（以下、ネッキングと称する）が見られ、伸線加工中に断線する原因となっていた。
【００１３】
伸線加工におけるネッキング現象の発生原因の一つは、中心が硬く、その周囲が軟らかい材料で構成したためであることが知られている。従来の超電導線材は、ジェリーロール層３３の部分が軟らかいＳｎ合金を含むのに対して、中心の芯材３２がそれより硬いＮｂやＣｕなどの材料を用いているために、ネッキングが発生しやすい構造であった。
【００１４】
そこで、本発明の目的は、縮径加工後にも均一な断面形状を維持し、加工による特性低下のない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】
【００１５】
本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、請求項１の発明は、芯材の周囲に金属シートを巻き付けて、Ｎｂ3Ｓｎを形成するためのジェリーロール層を形成し、これを縮径加工した後に熱処理してＮｂ3Ｓｎを生成するＮｂ3Ｓｎ超電導線材の製造方法であって、前記芯材としてＳｎまたはＳｎ合金を用い、その芯材の周囲にＮｂまたはＮｂ合金シートとＣｕまたはＣｕ合金シートとを重ね合わせて巻き付けて前記ジェリーロール層を形成するＮｂ3Ｓｎ超電導線材の製造方法である。
【００１６】
請求項２の発明は、前記ＮｂまたはＮｂ合金シートと前記ＣｕまたはＣｕ合金シートの厚みの比率（ＮｂまたはＮｂ合金シートの厚み／ＣｕまたはＣｕ合金シートの厚み）が、１以上４以下である請求項１記載のＮｂ3Ｓｎ超電導線材の製造方法である。
【００１７】
請求項３の発明は、芯材の周囲に金属シートを巻き付けて、Ｎｂ3Ｓｎを形成するためのジェリーロール層を形成し、これを伸線加工した後に熱処理してＮｂ3Ｓｎを生成するＮｂ3Ｓｎ超電導線材の製造方法であって、前記芯材としてＳｎまたはＳｎ合金を用い、ＣｕまたはＣｕ合金シート上に、ＮｂまたはＮｂ合金シートを所定の長さに切断した短冊シートを所定の間隔で貼り合わせて、これを圧延加工して一体化した複合シートを形成し、その複合シートを前記芯材の周囲に巻き付けて前記ジェリーロール層を形成するＮｂ3Ｓｎ超電導線材の製造方法である。
【００１８】
請求項４の発明は、前記芯材に前記ＣｕまたはＣｕ合金シートを直接接触させて前記ジェリーロール層を形成する請求項１〜３いずれかに記載のＮｂ3Ｓｎ超電導線材の製造方法である。
【００１９】
請求項５の発明は、前記芯材の周囲にＣｕを含む材料からなる層を設けた後、前記ジェリーロール層を形成する請求項１〜４いずれかに記載のＮｂ3Ｓｎ超電導線材の製造方法である。
【００２０】
請求項６の発明は、前記ジェリーロール層中のＮｂと前記芯材中のＳｎとの体積比率（Ｎｂの体積／Ｓｎの体積）が１．５以上２．５以下である請求項１〜５いずれかに記載のＮｂ3Ｓｎ超電導線材の製造方法である。
【００２１】
請求項７の発明は、前記芯材のＳｎ合金に含まれる元素が、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｖ、Ｃｕのグループから選択される１種類または２種以上の元素からなる請求項１〜６いずれかに記載のＮｂ3Ｓｎ超電導線材の製造方法である。
【００２２】
請求項８の発明は、前記Ｃｕ合金シートに含まれる元素が、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ａｇのグループから選択される１種類または２種以上の元素からなる請求項１〜７いずれかに記載のＮｂ3Ｓｎ超電導線材の製造方法である。
【００２３】
請求項９の発明は、前記Ｎｂ合金シートに含まれる元素が、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖのグループから選択される１種類または２種以上の元素からなる請求項１〜８いずれかに記載のＮｂ3Ｓｎ超電導線材の製造方法である。
【００２４】
請求項１０の発明は、前記芯材の周囲に前記ジェリーロール層を形成した後、これを伸線加工して縮径し、１５０℃以上６５０℃以下の温度領域を５０時間以上１５０時間以下かけて昇温し、さらに６５０℃以上７５０℃以下の温度で１００時間以上２００時間以下熱処理する請求項１〜９いずれかに記載のＮｂ3Ｓｎ超電導線材の製造方法である。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、芯材として軟らかいＳｎまたはＳｎ合金を用い、この芯材に硬さの近いＮｂまたはＮｂ合金シートとＣｕまたはＣｕ合金シートを重ね合わせて巻き付けてジェリーロール層を形成することによって、縮径加工後にも均一な断面形状を維持でき、層状かつ長手方向に連続的なＮｂ3Ｓｎを生成できるため、縮径加工による特性低下を抑制できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面にしたがって説明する。
【００２７】
図１は、Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材となる縮径加工前の一次複合線材の横断面図である。
【００２８】
一次複合線材１は、ＳｎまたはＳｎ合金からなる芯材２と、その芯材２の周囲にＮｂまたはＮｂ合金シート３とＣｕまたはＣｕ合金シート４とを重ね合わせて巻き付けて形成したジェリーロール層５と、そのジェリーロール層５の周囲に形成した拡散バリア層６と、その拡散バリア層６の周囲に形成したＣｕ安定化層７とからなる。
【００２９】
拡散バリア層６は、例えば、ジェリーロール層５の周囲にＮｂ−Ｔａシートを巻き付けて形成される。また、Ｃｕ安定化層７としては、例えば、銅パイプを用いるとよい。
【００３０】
芯材２をＳｎ合金としたとき、そのＳｎ合金に含まれる元素としては、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｖ、Ｃｕのグループから選択される１種類または２種以上の元素を用いるとよい。
【００３１】
ＮｂまたはＮｂ合金シート３をＮｂ合金としたとき、そのＮｂ合金に含まれる元素としては、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖのグループから選択される１種類または２種以上の元素を用いるとよい。
【００３２】
ＣｕまたはＣｕ合金シート４をＣｕ合金としたとき、そのＣｕ合金に含まれる元素としては、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ａｇのグループから選択される１種類または２種以上の元素を用いるとよい。
【００３３】
図１の一次複合線材１を作製する際には、ＣｕまたはＣｕ合金シート４をＮｂまたはＮｂ合金シート３よりも内側（芯材２側）にして、芯材２とＣｕまたはＣｕ合金シート４とが直接接触するように巻き付ける。
【００３４】
また、両シート３、４を巻き付ける長さ（巻き回数）は、ジェリーロール層５中のＮｂと芯材２中のＳｎの体積比率（Ｎｂの体積／Ｓｎの体積）が１．５以上２．５以下となるように決定するとよい。これは、生成するＮｂ3ＳｎのＮｂとＳｎの原子数比は３：１であり、体積比では約２：１に相当することから、ジェリーロール層５中のＮｂと芯材２中のＳｎの体積比率をおおよそこの付近の値とするためである。
【００３５】
また、ＮｂまたはＮｂ合金シート３とＣｕまたはＣｕ合金シート４の厚みの比率（ＮｂまたはＮｂ合金シート３の厚み／ＣｕまたはＣｕ合金シート４の厚み）は、１以上４以下であるとよい。これは、ＮｂまたはＮｂ合金シート３とＣｕまたはＣｕ合金シート４の厚みの比率が１未満であると、後述する熱処理工程でＳｎの拡散経路が少なくなりＮｂ3Ｓｎの生成が不十分となってしまい、厚みの比率が４を超えるとジェリーロール層５でのＮｂの割合が減少してしまい、Ｎｂ3Ｓｎの生成量が少なくなり、高い臨界電流特性が得られないためである。
【００３６】
具体的には、ＮｂまたはＮｂ合金シート３の厚みは１００μｍ以上３００μｍ以下、ＣｕまたはＣｕ合金シート４の厚みは７５μｍ以上１００μｍ以下であるとよい。両シート３、４の幅は、芯材２の長さと同じとするとよい。
【００３７】
ジェリーロール層５を形成した後、その周囲にＮｂ−Ｔａシートなどを巻き付けて拡散バリア層６を形成し、これをＣｕ安定化層７となる銅パイプなどに挿入すると図１の一次複合線材１が得られる。
【００３８】
本実施形態では、芯材２の周囲にＮｂまたはＮｂ合金シート３とＣｕまたはＣｕ合金シート４とを重ね合わせて巻き付けてジェリーロール層５を形成したが、ＮｂまたはＮｂ合金シート３とＣｕまたはＣｕ合金シート４とをあらかじめ圧延加工して一体化して複合シートを形成し、この複合シートを芯材２の周囲に巻き付けてジェリーロール層５を形成してもよい。
【００３９】
また、芯材２の周囲にＣｕを含む材料からなる層を形成した後に、ジェリーロール層５を形成してもよい。Ｃｕを含む材料からなる層は、例えば、芯材２の周囲にあらかじめＣｕを被覆するか、あるいは芯材２の周囲にあらかじめＣｕまたはＣｕ合金シート４を所定の長さ巻き付けて形成するとよい。これにより、ジェリーロール層５を形成する工程で芯材２が曲がったり、傷がついたりするのを抑制でき、芯材２の取扱い性を向上させることができる。
【００４０】
以上のようにして一次複合線材１を作製した後、この一次複合線材１を伸線加工して縮径する。その後、伸線加工した複数の一次複合線材１を銅パイプなどに挿入して多芯線材とし、この多芯線材をさらに伸線加工して縮径する。
【００４１】
このとき、各一次複合線材１のジェリーロール層５を構成する材料として、硬さの近いＮｂまたはＮｂ合金シート３とＣｕまたはＣｕ合金シート４を用いているため、ＮｂまたはＮｂ合金シート３とＣｕまたはＣｕ合金シート４は均等に伸線加工され、一次複合線材１はそのジェリーロール層５が均質な層状構造を維持したまま伸線加工される。
【００４２】
さらに、各一次複合線材１の芯材２としてＳｎまたはＳｎ合金を用いているため、中心（芯材２）の硬さが周囲のジェリーロール層５のＮｂまたはＮｂ合金シート３とＣｕまたはＣｕ合金シート４よりも小さくなり、伸線加工の際に芯材２のネッキングが発生しない。
【００４３】
多芯線材を伸線加工した後、伸線加工した多芯線材に熱処理を行う。
【００４４】
この熱処理により、芯材２のＳｎがジェリーロール層５のＣｕと相互拡散し、ＮｂまたはＮｂ合金シート３に移動してＮｂ3Ｓｎが生成される。
【００４５】
本発明では、Ｎｂ3Ｓｎを生成するために必要なＳｎを芯材２から供給しており、芯材２のＳｎはＣｕと相互拡散してＮｂまたはＮｂ合金シート３まで移動する必要がある。よって、芯材２の周囲がＮｂやＴａなどの材料で囲まれているとＳｎとＣｕの相互拡散が起こりにくくなるため、芯材２とＣｕまたはＣｕ合金シート４とを直接接触させる構造にする。
【００４６】
各一次複合線材１のジェリーロール層５はその層状構造を均質に維持しているため、Ｎｂ3ＳｎはＮｂまたはＮｂ合金シート３の部分に層状かつ長手方向に連続的に生成される。
【００４７】
熱処理を行う際には、Ｓｎの溶融温度は２３２℃であるため、５０時間未満の時間で焼成温度（６５０℃以上７５０℃以下）まで昇温すると、多芯線材の端末から芯材２のＳｎが溶け出し、特性の低下をもたらしてしまう。よって、ＣｕとＳｎが十分に拡散するように、１５０℃以上６５０℃以下の温度領域を５０時間以上１５０時間以下かけて昇温し、さらに６５０℃以上７５０℃以下の温度で１００時間以上２００時間以下熱処理することが好ましい。
【００４８】
以上により、Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材が得られる。
【００４９】
このように、本発明では、ジェリーロール層５を構成する材料として、硬さの近いＮｂまたはＮｂ合金シート３とＣｕまたはＣｕ合金シート４を用いている。これにより、両者の硬さの差が従来のＮｂ合金とＳｎ合金の場合に比べて小さくなり、ジェリーロール層５の層状構造を均質に維持したまま伸線加工して縮径することが可能となり、ＮｂまたはＮｂ合金シート３の部分にＮｂ3Ｓｎを層状かつ長手方向に連続的に生成することができる。
【００５０】
さらに、本発明では、芯材２としてＳｎまたはＳｎ合金を用いているため、中心（芯材２）の硬さが小さく、その周囲のジェリーロール層５がＳｎよりも硬いＮｂまたはＮｂ合金シート３とＣｕまたはＣｕ合金シート４という配置にすることができ、芯材２のネッキングを防止できる。よって、伸線加工中に芯材２が断線することがなく、長尺線材の加工が可能になる。
【００５１】
つまり、本発明によれば、伸線加工中にジェリーロール層３の層状構造が崩れたり、芯材２が断線することがなく、層状かつ長手方向に連続的にＮｂ3Ｓｎを生成できる。よって、伸線加工による特性低下を抑制でき、高い臨界電流密度Ｊｃ（または非銅部面積基準臨界電流密度：ｎｏｎ−Ｃｕ Ｊｃ）を有するＮｂ3Ｓｎ超電導線材を得ることができる。
【００５２】
また、本発明では、芯材２とジェリーロール層３に用いるＣｕまたはＣｕ合金シート４とを直接接触させているため、芯材２のＳｎとＣｕまたはＣｕ合金シート４のＣｕとが相互拡散しやすくなり、十分な量のＮｂ3Ｓｎを生成できる。
【００５３】
次に、本発明の他の実施の形態を説明する。
【００５４】
図２に示す一次複合線材２１は、ジェリーロール層２５を除いて図１の一次複合線材１と基本的に同じ構成である。
【００５５】
ジェリーロール層２５の周囲には、図１の一次複合線材１と同様に、拡散バリア層６、およびＣｕ安定化層７が順次設けられる。
【００５６】
この一次複合線材２１を伸線加工して縮径し、さらに伸線加工した複数の一次複合線材２１を銅パイプなどに挿入して多芯線材とし、この多芯線材を伸線加工した後に熱処理を行えば、Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材が得られる。
【００５７】
ジェリーロール層２５は、ＣｕまたはＣｕ合金シート２２上に、ＮｂまたはＮｂ合金シートを所定の長さに切断した短冊シート２３を所定の間隔で貼り合わせて、これを圧延加工して一体化した複合シート２４を形成し、この複合シート２４を芯材２の周囲に巻き付けて形成される。
【００５８】
複合シート２４は、芯材２に巻き付ける際、内側（芯材２側）から外側へ向かって円周長が除々に大きくなるため、短冊シート２３の長さは、芯材２側に配置されるものが短く、より外側に配置されるものが順次長くなるようにするとよい。また、短冊シート２３の間隔と短冊シート２３の長さとで半円周長となるようにする。
【００５９】
これにより、ジェリーロール層２５は、複合シート２４の各短冊シート２３が径方向で略半円弧状となり、また各短冊シート２３間（半円弧間）がＣｕまたはＣｕ合金シート２２のみとなり、これが径方向に連続するようになる。
【００６０】
一次複合線材２１は、ジェリーロール層２５のＣｕまたはＣｕ合金シート２２が径方向にも一部接続した構造となるため、熱処理の際に芯材２から供給されるＳｎを径方向にも拡散させることができ、Ｓｎの拡散にかかる時間を短縮できる。よって、熱処理の時間を短縮させることができ、生産性を高めることができる。
【００６１】
また、ＮｂまたはＮｂ合金からなる短冊シート２３を間隔をおいて配置することで、芯材２の周囲に複合シート２４を巻き付けやすくなる。
【実施例】
【００６２】
（実施例１）
直径１０ｍｍのＳｎ−２質量％Ｔｉ製の丸棒を芯材２とし、この周囲にＳｎ合金からなる芯材２とＣｕシート４を接触させるため、まず厚さ１００μｍのＣｕシート４を２周巻き付け、次に厚さ２００μｍのＮｂ−５質量％Ｔａシート３をＣｕシート４と重ねて、これを約１６周巻き重ねてジェリーロール層５を形成した。さらに、その周りに拡散バリア層６として厚さ２００μｍのＮｂ−５質量％Ｔａシートを５周巻き、これをＣｕ安定化層７となる内径２３ｍｍ、外径２６ｍｍのＣｕパイプに入れて、図１の一次複合線材１を作製した。
【００６３】
この一次複合線材１に伸線加工を施して、対辺間寸法が１．５ｍｍの六角断面形状の線材を作製し、所定の長さに切断し、１９９本を再度内径２４ｍｍ、外径２８ｍｍのＣｕパイプ中に組み込んで多芯線材を作製し、さらに伸線加工して直径１ｍｍの多芯線材を作製した。
【００６４】
伸線加工中の断線は発生せず、断面の観察からも断面形状の不均一化は認められなかった。作製した多芯線材の一部を６５０℃以上７５０℃以下で１００時間以上２００時間以下の条件で熱処理を行い、Ｎｂ3Ｓｎの生成を行った。
【００６５】
熱処理後の試料を温度４．２Ｋの液体ヘリウム中で１２Ｔの磁場を加えて臨界電流値を測定した。その結果、ｎｏｎ−Ｃｕ Ｊｃは約３０００Ａ／ｍｍ2と非常に高い特性を示した。これは、本発明により、伸線加工中のジェリーロール層５の断面形状の不均一化が抑制されたため、超電導電流の流れるＮｂ3Ｓｎが連続的に均一に生成した結果と考えられる。
【００６６】
（実施例２）
直径１０ｍｍのＳｎ−２質量％Ｔｉ製の丸棒を芯材２とし、この周囲にＮｂ−５質量％Ｔａシート３とＣｕシート４をあらかじめ圧延加工して一体化した厚さ３００μｍの複合シートを約１６周巻き重ねてジェリーロール層５を形成した。さらにその周りに拡散バリア層６として厚さ２００μｍのＮｂ−５質量％Ｔａシートを５周巻き、これをＣｕ安定化層７となる内径２３ｍｍ、外径２６ｍｍの銅パイプに入れて一次複合線材１を作製した。
【００６７】
この一次複合線材１に伸線加工を施して、対辺間寸法が１．５ｍｍの六角断面形状の線材を作製し、所定の長さに切断し、１９９本を再度内径２４ｍｍ、外径２８ｍｍのＣｕパイプ中に組み込んで多芯線材を作製し、さらに伸線加工して直径１ｍｍの多芯線材を作製した。
【００６８】
作製した多芯線材の一部を６５０℃以上７５０℃以下で１００時間以上２００時間以下の条件で熱処理を行い、温度４．２Ｋの液体ヘリウム中で１２Ｔの磁場を加えて臨界電流値を測定した。その結果、実施例２においても、約３０００Ａ／ｍｍ2の高いｎｏｎ−Ｃｕ Ｊｃが得られた。
【００６９】
（実施例３）
長さ１５ｍｍ以上３０ｍｍ以下に切断したＮｂ合金シート２３を、それぞれ数ｍｍの間隔をおいてＣｕシート２２上に重ねて、これを圧延加工して一体化した複合シート２４を作製し、直径１０ｍｍのＳｎ−２質量％Ｔｉ製の丸棒からなる芯材２の周囲に厚さ３００μｍの複合シート２４を約１６周巻き重ねてジェリーロール層２５を形成した。これにより、Ｃｕシート２２が径方向にも一部連続した構造となり、径方向にもＳｎの拡散が可能となる。
【００７０】
さらにその周りに拡散バリア層６として厚さ２００μｍのＮｂ−５質量％Ｔａを５周巻き、これをＣｕ安定化層７となる内径２３ｍｍ、外径２６ｍｍの銅パイプに入れて、図２の一次複合線材２１を作製した。これに伸線加工を施して、対辺間寸法が１．５ｍｍの六角断面形状の線材を作製し、所定の長さに切断し、１９９本を再度内径２４ｍｍ、外径２８ｍｍのＣｕパイプ中に組み込んで多芯線材を作製し、さらに伸線加工して直径１ｍｍの多芯線材を作製した。
【００７１】
作製した多芯線材の一部を６５０℃以上７５０℃以下で１００時間以上２００時間以下の条件で熱処理を行った。その結果、実施例３では、１５０℃以上６５０℃以下の温度領域を通過する時間として２４時間まで時間を短くしても芯材２のＳｎが線材端末から溶け出さず、熱処理時間の短縮が可能となり、ｎｏｎ−Ｃｕ Ｊｃも実施例１、２と同等の特性が得られた。
【００７２】
（実施例４）
実施例１で用いたＳｎ合金芯材２の代わりに、Ｓｎ合金の周囲にあらかじめＣｕを被覆した芯材を用いて、実施例１と同様にＮｂ3Ｓｎ超電導線材を作製した。作製したＮｂ3Ｓｎ超電導線材を用い、実施例１と同様にして臨界電流値を測定したところ、実施例１と同程度の高いｎｏｎ−Ｃｕ Ｊｃが得られた。
【００７３】
よって、Ｓｎ合金の周囲にあらかじめＣｕを被覆した芯材を用いても高いｎｏｎ−Ｃｕ Ｊｃが得られることが分かった。Ｃｕ被覆により、Ｓｎ合金だけの芯材２の場合にはＳｎ合金が軟らかいため、曲げたり、傷をつけたりしないように注意を要したが、Ｓｎ合金表面をＣｕで被覆することで、芯材の取扱い性が向上し、ジェリーロール層を形成する工程が容易になった。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明の好適な実施形態を示すＮｂ3Ｓｎ超電導線材の製造方法で作製する一次複合線材の横断面図である。
【図２】本発明の他の実施形態に係るＮｂ3Ｓｎ超電導線材の製造方法で作製する一次複合線材の横断面図である。
【図３】従来のＮｂ3Ｓｎ超電導線材の製造方法で作製する一次複合線材の横断面図である。
【図４】図３の一次複合線材に伸線加工を行った際に発生するジェリーロール層の層状構造の分散を説明する図である。
【図５】図３の一次複合線材に伸線加工を行った際に発生する芯材のネッキングを説明する図である。
【符号の説明】
【００７５】
１ 一次複合線材
２ 芯材
３ ＮｂまたはＮｂ合金シート
４ ＣｕまたはＣｕ合金シート
５ ジェリーロール層
６ 拡散バリア層
７ Ｃｕ安定化層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
芯材の周囲に金属シートを巻き付けて、Ｎｂ3Ｓｎを形成するためのジェリーロール層を形成し、これを縮径加工した後に熱処理してＮｂ3Ｓｎを生成するＮｂ3Ｓｎ超電導線材の製造方法であって、
前記芯材としてＳｎまたはＳｎ合金を用い、その芯材の周囲にＮｂまたはＮｂ合金シートとＣｕまたはＣｕ合金シートとを重ね合わせて巻き付けて前記ジェリーロール層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２】
前記ＮｂまたはＮｂ合金シートと前記ＣｕまたはＣｕ合金シートの厚みの比率（ＮｂまたはＮｂ合金シートの厚み／ＣｕまたはＣｕ合金シートの厚み）が、１以上４以下である請求項１記載のＮｂ3Ｓｎ超電導線材の製造方法。
【請求項３】
芯材の周囲に金属シートを巻き付けて、Ｎｂ3Ｓｎを形成するためのジェリーロール層を形成し、これを伸線加工した後に熱処理してＮｂ3Ｓｎを生成するＮｂ3Ｓｎ超電導線材の製造方法であって、
前記芯材としてＳｎまたはＳｎ合金を用い、ＣｕまたはＣｕ合金シート上に、ＮｂまたはＮｂ合金シートを所定の長さに切断した短冊シートを所定の間隔で貼り合わせて、これを圧延加工して一体化した複合シートを形成し、その複合シートを前記芯材の周囲に巻き付けて前記ジェリーロール層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４】
前記芯材に前記ＣｕまたはＣｕ合金シートを直接接触させて前記ジェリーロール層を形成する請求項１〜３いずれかに記載のＮｂ3Ｓｎ超電導線材の製造方法。
【請求項５】
前記芯材の周囲にＣｕを含む材料からなる層を設けた後、前記ジェリーロール層を形成する請求項１〜４いずれかに記載のＮｂ3Ｓｎ超電導線材の製造方法。
【請求項６】
前記ジェリーロール層中のＮｂと前記芯材中のＳｎとの体積比率（Ｎｂの体積／Ｓｎの体積）が１．５以上２．５以下である請求項１〜５いずれかに記載のＮｂ3Ｓｎ超電導線材の製造方法。
【請求項７】
前記芯材のＳｎ合金に含まれる元素が、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｖ、Ｃｕのグループから選択される１種類または２種以上の元素からなる請求項１〜６いずれかに記載のＮｂ3Ｓｎ超電導線材の製造方法。
【請求項８】
前記Ｃｕ合金シートに含まれる元素が、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ａｇのグループから選択される１種類または２種以上の元素からなる請求項１〜７いずれかに記載のＮｂ3Ｓｎ超電導線材の製造方法。
【請求項９】
前記Ｎｂ合金シートに含まれる元素が、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖのグループから選択される１種類または２種以上の元素からなる請求項１〜８いずれかに記載のＮｂ3Ｓｎ超電導線材の製造方法。
【請求項１０】
前記芯材の周囲に前記ジェリーロール層を形成した後、これを伸線加工して縮径し、１５０℃以上６５０℃以下の温度領域を５０時間以上１５０時間以下かけて昇温し、さらに６５０℃以上７５０℃以下の温度で１００時間以上２００時間以下熱処理する請求項１〜９いずれかに記載のＮｂ3Ｓｎ超電導線材の製造方法。
【請求項１】
芯材の周囲に金属シートを巻き付けて、Ｎｂ3Ｓｎを形成するためのジェリーロール層を形成し、これを縮径加工した後に熱処理してＮｂ3Ｓｎを生成するＮｂ3Ｓｎ超電導線材の製造方法であって、
前記芯材としてＳｎまたはＳｎ合金を用い、その芯材の周囲にＮｂまたはＮｂ合金シートとＣｕまたはＣｕ合金シートとを重ね合わせて巻き付けて前記ジェリーロール層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２】
前記ＮｂまたはＮｂ合金シートと前記ＣｕまたはＣｕ合金シートの厚みの比率（ＮｂまたはＮｂ合金シートの厚み／ＣｕまたはＣｕ合金シートの厚み）が、１以上４以下である請求項１記載のＮｂ3Ｓｎ超電導線材の製造方法。
【請求項３】
芯材の周囲に金属シートを巻き付けて、Ｎｂ3Ｓｎを形成するためのジェリーロール層を形成し、これを伸線加工した後に熱処理してＮｂ3Ｓｎを生成するＮｂ3Ｓｎ超電導線材の製造方法であって、
前記芯材としてＳｎまたはＳｎ合金を用い、ＣｕまたはＣｕ合金シート上に、ＮｂまたはＮｂ合金シートを所定の長さに切断した短冊シートを所定の間隔で貼り合わせて、これを圧延加工して一体化した複合シートを形成し、その複合シートを前記芯材の周囲に巻き付けて前記ジェリーロール層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４】
前記芯材に前記ＣｕまたはＣｕ合金シートを直接接触させて前記ジェリーロール層を形成する請求項１〜３いずれかに記載のＮｂ3Ｓｎ超電導線材の製造方法。
【請求項５】
前記芯材の周囲にＣｕを含む材料からなる層を設けた後、前記ジェリーロール層を形成する請求項１〜４いずれかに記載のＮｂ3Ｓｎ超電導線材の製造方法。
【請求項６】
前記ジェリーロール層中のＮｂと前記芯材中のＳｎとの体積比率（Ｎｂの体積／Ｓｎの体積）が１．５以上２．５以下である請求項１〜５いずれかに記載のＮｂ3Ｓｎ超電導線材の製造方法。
【請求項７】
前記芯材のＳｎ合金に含まれる元素が、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｖ、Ｃｕのグループから選択される１種類または２種以上の元素からなる請求項１〜６いずれかに記載のＮｂ3Ｓｎ超電導線材の製造方法。
【請求項８】
前記Ｃｕ合金シートに含まれる元素が、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ａｇのグループから選択される１種類または２種以上の元素からなる請求項１〜７いずれかに記載のＮｂ3Ｓｎ超電導線材の製造方法。
【請求項９】
前記Ｎｂ合金シートに含まれる元素が、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖのグループから選択される１種類または２種以上の元素からなる請求項１〜８いずれかに記載のＮｂ3Ｓｎ超電導線材の製造方法。
【請求項１０】
前記芯材の周囲に前記ジェリーロール層を形成した後、これを伸線加工して縮径し、１５０℃以上６５０℃以下の温度領域を５０時間以上１５０時間以下かけて昇温し、さらに６５０℃以上７５０℃以下の温度で１００時間以上２００時間以下熱処理する請求項１〜９いずれかに記載の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２００９−１９３８５６（Ｐ２００９−１９３８５６Ａ）
【公開日】平成２１年８月２７日（２００９．８．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３４５６２（Ｐ２００８−３４５６２）
【出願日】平成２０年２月１５日（２００８．２．１５）
【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８月２７日（２００９．８．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年２月１５日（２００８．２．１５）
【出願人】（０００００５１２０）日立電線株式会社 (3,358)
【Ｆターム（参考）】
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