Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材製造用前駆体およびＮｂ３Ｓｎ超電導線材
【課題】超電導特性を向上でき、容易に量産でき、強度を高くでき、かつ、軽量化できるＮｂ３Ｓｎ超電導線材を得る。
【解決手段】前駆体１（Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材製造用前駆体）は、Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材の製造に用いられる。前駆体１は、純ＮｂまたはＮｂ基合金からなる複数本のＮｂ基フィラメント５がブロンズマトリックス部４（Ｃｕ−Ｓｎ基合金）中に配置された超電導マトリックス部２と、超電導マトリックス部２の外周に配置された拡散障壁層６と、拡散障壁層６の外周に配置された安定化銅層７と、超電導マトリックス部２内に配置された補強部材８とを備える。補強部材８は、純ＴｉまたはＴｉ基合金からなる。また、補強部材８の外周とブロンズマトリックス部４とが直接接触する。
【解決手段】前駆体１（Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材製造用前駆体）は、Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材の製造に用いられる。前駆体１は、純ＮｂまたはＮｂ基合金からなる複数本のＮｂ基フィラメント５がブロンズマトリックス部４（Ｃｕ−Ｓｎ基合金）中に配置された超電導マトリックス部２と、超電導マトリックス部２の外周に配置された拡散障壁層６と、拡散障壁層６の外周に配置された安定化銅層７と、超電導マトリックス部２内に配置された補強部材８とを備える。補強部材８は、純ＴｉまたはＴｉ基合金からなる。また、補強部材８の外周とブロンズマトリックス部４とが直接接触する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材の製造に用いられるＮｂ３Ｓｎ超電導線材製造用前駆体、および、この前駆体を用いて製造されるＮｂ３Ｓｎ超電導線材に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に従来のＮｂ３Ｓｎ超電導線材が記載されている。この超電導線材は、超電導マグネットのコイルの巻線などとして用いられる。この超電導マグネットは、核磁気共鳴（ＮＭＲ）分析装置、物性評価装置、電力貯蔵や核融合炉等に用いられる。超電導マグネットの高磁場化や大口径化（高度応用）に伴い、超電導線材に働く電磁力（フープ力）がより大きくなるので、超電導線材の低温での強度向上が求められている。
【０００３】
特許文献１〜３には、強度向上を図った超電導線材が記載されている。特許文献１には、アルミナ分散銅で超電導線材を補強した技術が記載されている。特許文献２及び３には、高強度材（後述）で超電導線材を補強した技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特公平３−５５０１１号公報
【特許文献２】特許第３１５３５３９号公報
【特許文献３】特開２００３−８６０３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、これらの技術には以下の問題がある。
特許文献１には、アルミナ分散銅で超電導線材を補強した技術が記載されている。アルミナ分散銅は、Ｎｂ３Ｓｎ生成熱処理後に軟化し、強度が低下する。特に、超電導マグネットの高度応用に伴い超電導線材にかかる電磁力が大きくなっているところ、特許文献１に記載の超電導線材では、この大きな電磁力に十分耐えうる強度を得ることができない。
【０００６】
特許文献２及び３には高強度材で超電導線材を補強した技術が記載されている。この高強度材として、特許文献２にはＴａ、特許文献３にはＴａ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｚｒ、Ｈｆが記載されている。これらの金属は高価であり、安定した入手が困難である（いわゆるレアメタルである）。よって、これらの金属で補強した超電導線材は高価である。
【０００７】
また、特許文献２及び３に記載の技術では、補強部材を設けた分、超電導線材の断面に占めるＮｂ３Ｓｎ超電導相の割合が減る。よって、超電導特性（臨界磁場、臨界電流密度）が低下する。
【０００８】
なお、特許文献３の図２及び図３には、ＮｂまたはＮｂ合金（６）の内部にフィラメント補強材（７）を配置した技術が記載されている。また、特許文献３の図５に記載の補強材（４）はＴａである（特許文献３の段落０００５参照）。
【０００９】
そこで本発明は、超電導特性を向上でき、容易に量産でき、かつ、強度を高くできるＮｂ３Ｓｎ超電導線材を製造するためのＮｂ３Ｓｎ超電導線材製造用前駆体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材の製造に用いられるＮｂ３Ｓｎ超電導線材製造用前駆体である。この前駆体は、純ＮｂまたはＮｂ基合金からなる複数本のＮｂ基フィラメントがＣｕ−Ｓｎ基合金中に配置された超電導マトリックス部と、前記超電導マトリックス部の外周に配置された拡散障壁層と、前記拡散障壁層の外周に配置された安定化銅層と、前記超電導マトリックス部内に配置された補強部材と、を備える。前記補強部材は、純ＴｉまたはＴｉ基合金からなる。前記補強部材の外周と前記Ｃｕ−Ｓｎ基合金とが直接接触する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明では、超電導特性を向上でき、容易に量産でき、かつ、強度を高くできる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】Ｎｂ３Ｓｎ超電導線製造用前駆体を軸方向から見た断面図である。
【図２】変形例１の図１相当図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１を参照して本発明の実施形態の前駆体１（Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材製造用前駆体）等について説明する。まず、前駆体１を用いて製造される超電導線材（Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材）について説明する。
【００１４】
超電導線材（Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材）は、前駆体１に対してＮｂ３Ｓｎ生成熱処理を施し、Ｎｂ３Ｓｎ系超電導相を形成させることで製造される（製法は後述）。この超電導線材の軸直角断面（軸方向に直交する断面、軸方向から見た断面）の構造は、後述する前駆体１の軸直角断面の構造とほぼ同様である。この超電導線材は、例えば、超電導マグネットのコイルの巻線として用いられる。このコイルを励磁させると、超電導線材は、電磁力によりコイル径方向外側にひろがる力（フープ力）を受ける。その結果、超電導線材は、軸方向に引張荷重を受けて歪む。超電導線材は、歪みにより臨界電流が下がる（臨界電流特性が劣化する）。そこで、超電導線材の強度は、この歪みを十分抑制できるように設定される。
【００１５】
前駆体１（Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材製造用前駆体）は、ブロンズ法により製造されるＮｂ３Ｓｎ超電導線材の製造に用いられる線材である。前駆体１は、Ｎｂ３Ｓｎ生成熱処理を施す前の段階の前駆体である。詳細は後述するが、前駆体１は、静水圧押出しした二次多芯ビレットを伸線加工した後の段階の前駆体である。
【００１６】
この前駆体１の軸直角断面の形状は、前駆体１を用いて製造した超電導線材を巻線としてコイルを形成したときに、デッドスペースを減らせるように形成される。具体的には、前駆体１は、軸直角断面が矩形状（正方形を含む長方形）である。すなわち、前駆体１は平角線材である。前記「矩形状」には、矩形の４つの角が丸いものを含む。矩形の４つの角が直角に近いほど、デッドスペースが少なくなる。ただし、矩形の２つの角（対角を除く）の間に直線部分があることが、前記「矩形状」であることの必要条件とする。さらに詳しくは、前駆体１の軸直角断面の外周が、平行な２本の直線と、この２本の直線に直交する平行な２本の直線と、を備えることが、前記「矩形状」であることの必要条件とする（上記「平行」及び「直交」は、「略平行」及び「略直交」でも良い）。前駆体１の軸直角断面の長辺側長さをＷ、短辺側長さをＨとすると、長辺側長さＷ／短辺側長さＨは、例えば１．２〜２．０である（この範囲外としても良い）。なお、前駆体１の軸直角断面の形状は、円形や楕円形など、矩形状以外の形状としても良い。
【００１７】
この前駆体１は、超電導マトリックス部２と、超電導マトリックス部２の径方向外側に配置された拡散障壁層６および安定化銅層７と、超電導マトリックス部２の径方向内側に配置された補強部材８とを備える。
【００１８】
超電導マトリックス部２は、複数本のＮｂ基フィラメント５がＣｕ−Ｓｎ基合金（ブロンズマトリックス部４）中に配置された構造を備える。超電導マトリックス部２は、例えば、数十本、数百本、または数千本などの複数の多芯部３を並べた構造を備える（図１では複数の多芯部３の一部を図示している）。複数の多芯部３はそれぞれ、ブロンズマトリックス部４と、ブロンズマトリックス部４中に複数本配置されたＮｂ基フィラメント５とを備える。
【００１９】
ブロンズマトリックス部４（ブロンズ母材）の軸直角断面の形状は、例えば六角形である（円形等でも良い）。ブロンズマトリックス部４は、Ｃｕ−Ｓｎ基合金からなる。Ｃｕ−Ｓｎ基合金には、補強部材８からのＴｉの拡散（後述）とは別に、例えば０．３〜０．５質量％程度のＴｉが含まれても良い。Ｃｕ−Ｓｎ基合金には、補強部材８からのＴｉの拡散の結果、例えば０．３〜０．５質量％程度のＴｉが含まれることになっても良い。Ｃｕ−Ｓｎ基合金にはＴｉ以外の元素が含まれても良い。
【００２０】
このブロンズマトリックス部４を形成するＣｕ−Ｓｎ基合金中のＳｎの濃度（以下、単に「Ｓｎ濃度」とも言う）が高いほど、臨界電流密度（Ｊｃ）が高くなる（前駆体１を用いて製造された超電導線材の臨界電流密度が高くなる）。Ｓｎ濃度は、必要な臨界電流密度に応じて適切に設定する。具体的には例えば、Ｓｎ濃度は、１３．５質量％以上であり、１４質量％以上が好ましく、１５質量％以上がさらに好ましい。また、Ｓｎ濃度は、通常１５．６質量％まで高めることができる。さらに、Ｔｉ及びＺｒの少なくともいずれかをＣｕ−Ｓｎ基合金に含有させれば、Ｓｎ濃度を１９質量％まで高めることができる。
このＳｎ濃度についてさらに詳しく説明する。Ｓｎ濃度は、通常１５．６質量％より大きくできない。これは、Ｃｕ−Ｓｎ基合金中に１５．６質量％を超えてＳｎを含有させようとすると、Ｃｕ−Ｓｎの金属間化合物が生成するからである。また、Ｃｕ−Ｓｎの金属間化合物には、代表的なものとして「δ相」がある。このδ相は硬く延性が乏しいので、前駆体１製造時の加工性（後述する減面加工の加工性）が悪くなる。そこで、Ｔｉ及びＺｒの少なくともいずれかをＣｕ−Ｓｎ基合金に含有させる。すると、Ｃｕ−Ｓｎ基合金中のδ相を消失させることができる。その結果、固溶限界とされる１５．６質量％よりも多くのＳｎを、Ｃｕ−Ｓｎ基合金に含有させることができる。具体的には、Ｓｎ濃度を１９質量％まで高めることができる。
【００２１】
Ｎｂ基フィラメント５は、純ＮｂまたはＮｂ基合金からなる。この純Ｎｂは、微量（例えば０．５質量％未満）の不純物を含んだものでも良い。このＮｂ基合金は、添加元素（例えばＴａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｔｉ等）を１０質量％〜０．５質量％程度含有する合金である。Ｎｂ基フィラメント５は、１つの多芯部３中に例えば７本配置される（６本以下や８本以上でも良い）。なお、図１では、複数のＮｂ基フィラメント５のうち、１つのＮｂ基フィラメント５にのみ符号を付している。Ｎｂ基フィラメント５の軸直角断面の形状は、例えば円形である（円形でなくても良い）。
【００２２】
このＮｂ基フィラメント５の直径（軸直角断面が円形でない場合は等価直径）を細くすると、臨界電流密度が高くなる。しかし、Ｎｂ基フィラメント５の直径を細くすると、ｎ値が低くなる。ｎ値とは、超電導状態から常電導状態への転位の鋭さを示す量である。また、Ｎｂ基フィラメント５の（等価）直径Ｄ５は、補強部材８（後述）の等価直径Ｄ８との比率「Ｄ５／Ｄ８」が、例えば０．００１〜０．０１５、好ましくは０．００３〜０．０１１となるように設定する。
【００２３】
拡散障壁層６は、Ｎｂ３Ｓｎ生成熱処理の際に超電導マトリックス部２内のＳｎが外部（安定化銅層７）に拡散することを抑制する層である。拡散障壁層６は、超電導マトリックス部２の外周（径方向外側）、かつ、安定化銅層７の内周（径方向内側）に配置される。拡散障壁層６は、Ｎｂ層およびＴａ層の少なくともいずれかの層を備える。拡散障壁層６の最内周側の層（超電導マトリックス部２と接する部分）は、Ｔａ層であることが好ましい。その理由は、拡散障壁層６の最内周側の層がＴａ層でなくＮｂ層の場合、拡散障壁層６のＮｂ層と超電導マトリックス部２内のＳｎとがＮｂ３Ｓｎ生成熱処理の際に反応し、拡散障壁層６の近傍にＮｂ３Ｓｎ系超電導相（以下、単に「超電導相」とも言う）が形成され、有効フィラメント径が増大して交流損失が大きくなるおそれがあるからである。なお、拡散障壁層６と超電導マトリックス部２とは必ずしも隣接していなくても良く、これらの間に図示しない例えばＣｕ−Ｓｎ基合金層などがあっても良い。
【００２４】
安定化銅層７は、拡散障壁層６の外周（径方向外側）に配置される。安定化銅層７は、超電導線材が超電導状態から常電導状態になったときに、超電導相に過電流が流れて超電導相が焼損すること防ぐための層である。なお、安定化銅層７の軸直角断面の外周側端部に囲まれた形状が、前駆体１の軸直角断面の形状である。
【００２５】
補強部材８は、超電導線材を補強する部材である。補強部材８の軸直角断面の形状は、例えば略楕円形である（円形や矩形などでも良い）。補強部材８は、超電導マトリックス部２内に配置される。すなわち、補強部材８は、超電導マトリックス部２の外周側端部よりも径方向内側に配置され、好ましくは超電導マトリックス部２の内周側端部よりも径方向内側に配置される。補強部材８は、超電導マトリックス部２の軸直角断面の中央に集中配置される（これ以外の配置は後述）。前記「集中配置」とは、複数箇所に分かれて（例えば分散して）配置されることではなく、一箇所のみに集めて配置されることを意味する。補強部材８が前記「中央に配置される」とは、超電導マトリックス部２の軸直角断面の概ね中央の領域に補強部材８が配置されることを意味する。補強部材８は、超電導マトリックス部２の軸直角断面の中心（図心）に配置されていなくても良い。さらに詳しくは、補強部材８の軸直角断面の外周全体が超電導マトリックス部２よりも内側にあることが前記「中央に配置される」ことの必要条件とする。具体的には例えば、補強部材８の軸直角断面の外周と拡散障壁層６との間に超電導マトリックス部２が存在しない部分がある場合は、前記「中央に配置される」に含まれない。
【００２６】
この補強部材８は、純ＴｉまたはＴｉ基合金からなる。この純Ｔｉは、微量（例えば０．５質量％未満）の不純物を含んだものでも良い。また、補強部材８を形成するＴｉ基合金は、添加元素を１０質量％〜０．５質量％程度含有する合金である。純ＴｉよりもＴｉ基合金のほうが硬い。よって、補強部材８をＴｉ基合金で形成した場合に比べ、補強部材８を純Ｔｉで形成した場合は、前駆体１製造時の加工性（後述する減面加工の加工性）が良い。また、補強部材８を純Ｔｉで形成した場合に比べ、補強部材８をＴｉ基合金で形成した場合は、補強部材８の（超電導線材の）強度が高くなる。ただし、Ｔｉ基合金中の添加元素が１０質量％を超えると上記の加工性が悪化するので、添加元素は１０質量％以下であることが好ましい。
【００２７】
この補強部材８の面積率Ａ（前駆体１全体の軸直角断面に占める補強部材８の面積率Ａ）は、次式で表される。
面積率Ａ＝（補強部材８の断面積／前駆体１全体の断面積）×１００（％）
面積率Ａは、例えば５〜３０％である。面積率Ａの下限は５％より大きくても良く、例えば８％、１０％、１５％などでも良い。面積率Ａの上限は３０％より小さくても良く、例えば２０％、２５％などでも良い。面積率Ａが大きいほど超電導線材の強度は上がる。しかし、面積率Ａが大きいほど、前駆体１全体の軸直角断面に占める超電導マトリックス部２（超電導相）の割合は減り、超電導線材の軸直角断面全体当たりの臨界電流密度は下がる。
【００２８】
この補強部材８の外周は、超電導マトリックス部２のブロンズマトリックス部４と直接接触する。この補強部材８の配置は、補強部材８内のＴｉ元素がブロンズマトリックス部４内へ拡散できるようにするためのものである。補強部材８の外周の全体が、ブロンズマトリックス部４と直接接触することが好ましい（Ｔｉが拡散しやすいため）。なお、補強部材８の外周の一部のみが、ブロンズマトリックス部４と直接接触しても良い。
【００２９】
（製法）
次に、ブロンズ法によるＮｂ３Ｓｎ超電導線材の製法の一例を説明する。超電導線材の製法は、一次スタック材（多芯部３に対応）を作製する第１工程と、一次スタック材等を用いて二次多芯ビレット（前駆体１が形成される前の段階のもの）を作製する第２工程と、二次多芯ビレットを加工して前駆体１を形成する第３工程と、前駆体１にＮｂ３Ｓｎ生成熱処理を施して超電導線材とする第４工程とを備える。
【００３０】
第１工程は、一次スタック材（多芯部３に対応。以下、前駆体１の段階での部材名を単に括弧を付して記載する場合がある）を作製する工程である。一次スタック材（多芯部３）は以下（ａ）〜（ｇ）のように作製される。（ａ）Ｃｕ−Ｓｎ基合金棒（ブロンズマトリックス部４）を用意する。（ｂ）Ｃｕ−Ｓｎ基合金棒の軸直角断面の中心とその周囲に、穴を７箇所形成する。（ｃ）その穴に純Ｎｂ棒（またはＮｂ基合金棒）（Ｎｂ基フィラメント５）を挿入する。（ｄ）上記（ｂ）及び（ｃ）を経たＣｕ−Ｓｎ基合金棒（多芯部３）の軸方向両端を、溶接によって真空封止する。この真空封止されたものを「一次多芯ビレット」とする。（ｅ）一次多芯ビレットを静水圧押出し法で押出し（減面加工）する。（ｆ）押出しされた押出材を、引抜加工等により伸線加工（減面加工）する。この伸線加工の途中に、複数回の焼鈍を行う。この焼鈍は、Ｃｕ−Ｓｎ基合金の加工硬化を原因とした断線がおこらない様にするために行う。（ｇ）伸線加工された線材（棒材）を、六角ダイスにより六角断面形状に仕上げる。これにより、一次スタック材（多芯部３）が作製される。
【００３１】
第２工程は、一次スタック材等を用いて二次多芯ビレットを作製する工程である。二次多芯ビレットは次の（ｈ）〜（ｍ）のように作製される。（ｈ）純Ｔｉ棒（またはＴｉ基合金棒）（補強部材８）を用意する。（ｉ）純Ｔｉ等棒（補強部材８）の外周に一次スタック材（多芯部３）を複数配置する。（ｊ）上記（ｉ）の際、純Ｔｉ等棒（補強部材８）の外周と一次スタック材（多芯部３）とを直接接触させる。（ｋ）複数の一次スタック材（超電導マトリックス部２）の外周に純Ｎｂ等のシート（拡散障壁層６）を巻く。（ｌ）これらの部材を一体化させたもの（上記（ｈ）〜（ｋ）を経てできたもの）を、Ｃｕ製パイプ（安定化銅層７）に挿入する。（ｍ）上記（ｌ）を経たＣｕ製パイプ（安定化銅層７）の軸方向両端部を溶接によって真空封止する。この真空封止されたものが「二次多芯ビレット」である。なお、上記各工程の順序は様々に変更できる。例えば、Ｃｕ製パイプ（安定化銅層７）にシート（拡散障壁層６）を挿入し、その内側に複数の一次スタック材（多芯部３）を配置した後、純Ｔｉ等棒（補強部材８）を配置しても良い。
【００３２】
第３工程は、二次多芯ビレットを加工して前駆体１を形成する工程である。この工程は次の（ｎ）及び（ｏ）のように行われる。（ｎ）二次多芯ビレットを静水圧押出し法で押出し（減面加工）する。（ｏ）押出しされた押出材を、引抜加工等により伸線加工（減面加工）する。この伸線加工は、線材の軸直角断面が最終的に矩形状となるように行う。また、上記（ｆ）と同様に、伸線加工の途中に複数回の焼鈍を行う。これにより前駆体１が製造される（この段階の製造物が「前駆体１」である）。
【００３３】
第４工程は、前駆体１にＮｂ３Ｓｎ生成熱処理（拡散熱処理）を施して超電導線材とする工程である。Ｎｂ３Ｓｎ生成熱処理は、真空中で、例えば６５０〜７２０℃で、例えば８０〜２００時間行う。このＮｂ３Ｓｎ生成熱処理により、ブロンズマトリックス部４（Ｃｕ−Ｓｎ基合金）とＮｂ基フィラメント５との界面にＮｂ３Ｓｎ化合物層が生成される。また、このＮｂ３Ｓｎ生成熱処理により、補強部材８のＴｉ元素がブロンズマトリックス部４内に拡散される（この拡散は、他の加熱を伴う工程中に生じても良い）。これにより、Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材が製造される。
【００３４】
（実験）
上記製法により「実施例の超電導線材」を製造した。また、比較のために「比較例の超電導線材」を製造した。そして、各超電導線材について、０．２％耐力と、臨界電流とを測定した。
【００３５】
実施例の超電導線材は次のように製造した。上記製法の（ａ）の工程で用意したＣｕ−Ｓｎ基合金棒（ブロンズマトリックス部４）は、Ｃｕ−１５ｗｔ％Ｓｎ、直径１５０ｍｍ、軸方向長さ５００ｍｍである。上記（ｃ）の工程で穴に挿入した純Ｎｂ棒（Ｎｂ基フィラメント５）は、直径１７ｍｍ、軸方向長さ５００ｍｍである。上記（ａ）〜（ｇ）の工程で作製した一次スタック材（多芯部３）の径（六角断面の外接円の直径）は３ｍｍである。上記（ｈ）の工程で用意した純Ｔｉ棒（補強部材８）は、直径６０ｍｍである。上記（ｉ）の工程で純Ｔｉ棒（補強部材）の外周に配置した一次スタック材（多芯部３）は３０００本である。上記（ｌ）の工程で用いたＣｕ製パイプ（安定化銅層７）は、外径１５０ｍｍ、内径１２０ｍｍ、軸方向長さ５００ｍｍである。上記（ｋ）の工程で一次スタック材（超電導マトリックス部２）の外周に巻いたシート（拡散障壁層６）の材料は、純Ｎｂである。上記（ａ）〜（ｏ）の工程により製造された前駆体１の軸直角断面の長辺側長さＷは１ｍｍである。前駆体１の軸直角断面全体に占める補強部材８の面積率Ａは１０％である。この前駆体１にＮｂ３Ｓｎ生成熱処理（拡散熱処理）を施して実施例の超電導線材を得た。
【００３６】
比較例の超電導線材は、実施例の超電導線材と同一の寸法及び構造である。ただし、補強部材８の材料は、実施例では純Ｔｉだが、比較例では純Ｔａである。
【００３７】
０．２％耐力は、液体ヘリウム中（温度４．２Ｋ）に超電導線材を浸漬して、この超電導線材の引張試験を行うことで測定した。臨界電流は、液体ヘリウム中（温度４．２Ｋ）で、１５Ｔ（テスラ）の外部磁場の下で四端子法にて測定した。
【００３８】
実験結果は次のようになった。比較例の超電導線材の結果を１００％としたときの、実施例の超電導線材の結果（比率）を示す。
・線材強度（０．２％耐力＠４．２Ｋ）
比較例：１００％、実施例：１０５％
・超電導特性（臨界電流＠１５Ｔ）
比較例：１００％、実施例：１２０％
【００３９】
（線材強度）比較例よりも実施例の方が０．２％耐力が高かった。これは、低温における機械強度が、ＴａよりもＴｉの方が高いためである。なお、実施例では０．２％耐力が２５０ＭＰａより大きかった。
【００４０】
（超電導特性）比較例よりも実施例の方が臨界電流が高かった。これは、補強部材８のＴｉ元素がブロンズマトリックス部４中に拡散し、Ｔｉ添加効果（後述）が生じたためである。
【００４１】
（効果）
次に、図１に示す前駆体１の効果を説明する。前駆体１は、Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材の製造に用いられる。前駆体１は、純ＮｂまたはＮｂ基合金からなる複数本のＮｂ基フィラメント５がブロンズマトリックス部４（Ｃｕ−Ｓｎ基合金）中に配置された超電導マトリックス部２と、超電導マトリックス部２の外周に配置された拡散障壁層６と、拡散障壁層６の外周に配置された安定化銅層７と、超電導マトリックス部２内に配置された補強部材８とを備える。
【００４２】
（効果１−１）
補強部材８は、純ＴｉまたはＴｉ基合金からなる。また、補強部材８の外周とブロンズマトリックス部４とが直接接触する。よって、Ｎｂ３Ｓｎ生成熱処理時等に、補強部材８のＴｉ元素がブロンズマトリックス部４内（超電導マトリックス部２内）に拡散される。したがって、前駆体１により製造された超電導線材の超電導特性（上部臨界磁場、及び、高磁場での臨界電流密度）を向上できる。
【００４３】
この効果をさらに説明する。前駆体１内に補強部材８を設けると、超電導線材の強度は上がる。一方、前駆体１の軸直角断面に占める超電導マトリックス部２の面積率（超電導相の面積率）は減る。すなわち、Ｃｕ−Ｓｎ基合金（ブロンズマトリックス部４）とＮｂ基フィラメント５との接触領域が減る。よって、補強部材８を単に設けるだけでは、超電導特性が小さくなってしまう。しかし、本発明では、上記のＴｉ添加効果により、超電導線材の超電導特性を向上できる。すなわち、本発明では、補強部材８を設けたことによる超電導特性の低下を抑制できる。
【００４４】
（効果１−２）
補強部材８は、純ＴｉまたはＴｉ基合金からなる。
純ＴｉまたはＴｉ基合金は、補強部材８として従来用いられていた高強度材（Ｔａ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｚｒ、Ｈｆなど）に比べ、安定入手が容易であり安価である。よって、前駆体１は容易に量産できる。
純ＴｉまたはＴｉ基合金は、補強部材８として従来用いられていたアルミナ分散銅等に比べ、低温での機械強度特性（低温脆性など）が高い。よって、前駆体１から製造された超電導線材の強度を従来よりも高くできる。
【００４５】
（効果２）
補強部材８は、超電導マトリックス部２の軸直角断面の中央に集中配置される。よって、超電導マトリックス部２内に補強部材８を分散配置させた場合に比べ、補強部材８を容易に配置できる。その結果、前駆体１を容易に製造できる。
【００４６】
（効果３）
前駆体１は、軸直角断面が矩形状である。よって、前駆体１を用いて製造された超電導線材をコイルの巻線として用いる場合、軸直角断面が円形状の超電導線材に比べ、超電導線材間のデッドスペースを少なくできる。その結果、このコイルの電流密度を上げることができ、このコイルを用いた超電導マグネットをコンパクト化できる。
【００４７】
（効果４）
本発明の超電導線材（Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材）は、前駆体１に対して、Ｎｂ３Ｓｎ生成熱処理を施してＮｂ３Ｓｎ系超電導相を形成させることで製造される。この超電導線材は、上記（効果１）〜（効果３）の効果を奏するものである。
【００４８】
（その他の効果１）
ブロンズマトリックス部４を形成するＣｕ−Ｓｎ基合金中のＳｎの濃度（Ｓｎ濃度）は、１３．５質量％以上である。よって、Ｓｎ濃度が１３．５質量％未満の場合よりも、臨界電流密度を高くできる。したがって、補強部材８を設けたことによる超電導特性の低下をさらに抑制できる。
【００４９】
（その他の効果２）
補強部材８は、純ＴｉまたはＴｉ基合金からなる。純ＴｉまたはＴｉ基合金は、補強部材８として従来用いられていた材料（アルミナ分散銅、上記の高強度材など）に比べ、比強度（引っ張り強さ／密度）が高い。よって、前駆体１から製造された超電導線材を従来よりも軽量化できる。その結果、この超電導線材を用いて製作される超電導マグネットの軽量化や、この超電導マグネットのサポート構造の簡易化ができる。
【００５０】
（変形例１）
図２に変形例１の前駆体１１を示す。図１に示すように、上記実施形態の前駆体１の補強部材８は、超電導マトリックス部２の軸直角断面の中央に集中配置された。一方、図２に示すように、超電導マトリックス部２中に補強部材１８を分散配置しても良い。以下、この相違点をさらに説明する。
【００５１】
前駆体１１は、図１に示す前駆体１の補強部材８に変えて、超電導マトリックス部２中に分散配置された補強部材１８を備える。例えば、図１に示す前駆体１の複数の多芯部３の一部を、図２に示す補強部材１８に置き換えることで、補強部材１８が分散配置される。なお、図２では、複数の補強部材１８（黒く塗りつぶして示す）のうち一部にのみ符号を付している。
【００５２】
（変形例２）
また、図１に示す前駆体１の補強部材８と、図２に示す前駆体１１の補強部材１８とを組み合わせても良い。すなわち、前駆体１（１１）は、超電導マトリックス部２の軸直角断面の中央に集中配置された補強部材８（図１参照）と、超電導マトリックス部２中に分散配置された補強部材１８（図２参照）と、の両方を備えても良い。
【符号の説明】
【００５３】
１、１１ 前駆体（Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材製造用前駆体）
２ 超電導マトリックス部
４ ブロンズマトリックス部４（Ｃｕ−Ｓｎ基合金）
５ Ｎｂ基フィラメント
６ 拡散障壁層
７ 安定化銅層
８、１８ 補強部材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材の製造に用いられるＮｂ３Ｓｎ超電導線材製造用前駆体、および、この前駆体を用いて製造されるＮｂ３Ｓｎ超電導線材に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に従来のＮｂ３Ｓｎ超電導線材が記載されている。この超電導線材は、超電導マグネットのコイルの巻線などとして用いられる。この超電導マグネットは、核磁気共鳴（ＮＭＲ）分析装置、物性評価装置、電力貯蔵や核融合炉等に用いられる。超電導マグネットの高磁場化や大口径化（高度応用）に伴い、超電導線材に働く電磁力（フープ力）がより大きくなるので、超電導線材の低温での強度向上が求められている。
【０００３】
特許文献１〜３には、強度向上を図った超電導線材が記載されている。特許文献１には、アルミナ分散銅で超電導線材を補強した技術が記載されている。特許文献２及び３には、高強度材（後述）で超電導線材を補強した技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特公平３−５５０１１号公報
【特許文献２】特許第３１５３５３９号公報
【特許文献３】特開２００３−８６０３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、これらの技術には以下の問題がある。
特許文献１には、アルミナ分散銅で超電導線材を補強した技術が記載されている。アルミナ分散銅は、Ｎｂ３Ｓｎ生成熱処理後に軟化し、強度が低下する。特に、超電導マグネットの高度応用に伴い超電導線材にかかる電磁力が大きくなっているところ、特許文献１に記載の超電導線材では、この大きな電磁力に十分耐えうる強度を得ることができない。
【０００６】
特許文献２及び３には高強度材で超電導線材を補強した技術が記載されている。この高強度材として、特許文献２にはＴａ、特許文献３にはＴａ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｚｒ、Ｈｆが記載されている。これらの金属は高価であり、安定した入手が困難である（いわゆるレアメタルである）。よって、これらの金属で補強した超電導線材は高価である。
【０００７】
また、特許文献２及び３に記載の技術では、補強部材を設けた分、超電導線材の断面に占めるＮｂ３Ｓｎ超電導相の割合が減る。よって、超電導特性（臨界磁場、臨界電流密度）が低下する。
【０００８】
なお、特許文献３の図２及び図３には、ＮｂまたはＮｂ合金（６）の内部にフィラメント補強材（７）を配置した技術が記載されている。また、特許文献３の図５に記載の補強材（４）はＴａである（特許文献３の段落０００５参照）。
【０００９】
そこで本発明は、超電導特性を向上でき、容易に量産でき、かつ、強度を高くできるＮｂ３Ｓｎ超電導線材を製造するためのＮｂ３Ｓｎ超電導線材製造用前駆体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材の製造に用いられるＮｂ３Ｓｎ超電導線材製造用前駆体である。この前駆体は、純ＮｂまたはＮｂ基合金からなる複数本のＮｂ基フィラメントがＣｕ−Ｓｎ基合金中に配置された超電導マトリックス部と、前記超電導マトリックス部の外周に配置された拡散障壁層と、前記拡散障壁層の外周に配置された安定化銅層と、前記超電導マトリックス部内に配置された補強部材と、を備える。前記補強部材は、純ＴｉまたはＴｉ基合金からなる。前記補強部材の外周と前記Ｃｕ−Ｓｎ基合金とが直接接触する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明では、超電導特性を向上でき、容易に量産でき、かつ、強度を高くできる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】Ｎｂ３Ｓｎ超電導線製造用前駆体を軸方向から見た断面図である。
【図２】変形例１の図１相当図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１を参照して本発明の実施形態の前駆体１（Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材製造用前駆体）等について説明する。まず、前駆体１を用いて製造される超電導線材（Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材）について説明する。
【００１４】
超電導線材（Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材）は、前駆体１に対してＮｂ３Ｓｎ生成熱処理を施し、Ｎｂ３Ｓｎ系超電導相を形成させることで製造される（製法は後述）。この超電導線材の軸直角断面（軸方向に直交する断面、軸方向から見た断面）の構造は、後述する前駆体１の軸直角断面の構造とほぼ同様である。この超電導線材は、例えば、超電導マグネットのコイルの巻線として用いられる。このコイルを励磁させると、超電導線材は、電磁力によりコイル径方向外側にひろがる力（フープ力）を受ける。その結果、超電導線材は、軸方向に引張荷重を受けて歪む。超電導線材は、歪みにより臨界電流が下がる（臨界電流特性が劣化する）。そこで、超電導線材の強度は、この歪みを十分抑制できるように設定される。
【００１５】
前駆体１（Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材製造用前駆体）は、ブロンズ法により製造されるＮｂ３Ｓｎ超電導線材の製造に用いられる線材である。前駆体１は、Ｎｂ３Ｓｎ生成熱処理を施す前の段階の前駆体である。詳細は後述するが、前駆体１は、静水圧押出しした二次多芯ビレットを伸線加工した後の段階の前駆体である。
【００１６】
この前駆体１の軸直角断面の形状は、前駆体１を用いて製造した超電導線材を巻線としてコイルを形成したときに、デッドスペースを減らせるように形成される。具体的には、前駆体１は、軸直角断面が矩形状（正方形を含む長方形）である。すなわち、前駆体１は平角線材である。前記「矩形状」には、矩形の４つの角が丸いものを含む。矩形の４つの角が直角に近いほど、デッドスペースが少なくなる。ただし、矩形の２つの角（対角を除く）の間に直線部分があることが、前記「矩形状」であることの必要条件とする。さらに詳しくは、前駆体１の軸直角断面の外周が、平行な２本の直線と、この２本の直線に直交する平行な２本の直線と、を備えることが、前記「矩形状」であることの必要条件とする（上記「平行」及び「直交」は、「略平行」及び「略直交」でも良い）。前駆体１の軸直角断面の長辺側長さをＷ、短辺側長さをＨとすると、長辺側長さＷ／短辺側長さＨは、例えば１．２〜２．０である（この範囲外としても良い）。なお、前駆体１の軸直角断面の形状は、円形や楕円形など、矩形状以外の形状としても良い。
【００１７】
この前駆体１は、超電導マトリックス部２と、超電導マトリックス部２の径方向外側に配置された拡散障壁層６および安定化銅層７と、超電導マトリックス部２の径方向内側に配置された補強部材８とを備える。
【００１８】
超電導マトリックス部２は、複数本のＮｂ基フィラメント５がＣｕ−Ｓｎ基合金（ブロンズマトリックス部４）中に配置された構造を備える。超電導マトリックス部２は、例えば、数十本、数百本、または数千本などの複数の多芯部３を並べた構造を備える（図１では複数の多芯部３の一部を図示している）。複数の多芯部３はそれぞれ、ブロンズマトリックス部４と、ブロンズマトリックス部４中に複数本配置されたＮｂ基フィラメント５とを備える。
【００１９】
ブロンズマトリックス部４（ブロンズ母材）の軸直角断面の形状は、例えば六角形である（円形等でも良い）。ブロンズマトリックス部４は、Ｃｕ−Ｓｎ基合金からなる。Ｃｕ−Ｓｎ基合金には、補強部材８からのＴｉの拡散（後述）とは別に、例えば０．３〜０．５質量％程度のＴｉが含まれても良い。Ｃｕ−Ｓｎ基合金には、補強部材８からのＴｉの拡散の結果、例えば０．３〜０．５質量％程度のＴｉが含まれることになっても良い。Ｃｕ−Ｓｎ基合金にはＴｉ以外の元素が含まれても良い。
【００２０】
このブロンズマトリックス部４を形成するＣｕ−Ｓｎ基合金中のＳｎの濃度（以下、単に「Ｓｎ濃度」とも言う）が高いほど、臨界電流密度（Ｊｃ）が高くなる（前駆体１を用いて製造された超電導線材の臨界電流密度が高くなる）。Ｓｎ濃度は、必要な臨界電流密度に応じて適切に設定する。具体的には例えば、Ｓｎ濃度は、１３．５質量％以上であり、１４質量％以上が好ましく、１５質量％以上がさらに好ましい。また、Ｓｎ濃度は、通常１５．６質量％まで高めることができる。さらに、Ｔｉ及びＺｒの少なくともいずれかをＣｕ−Ｓｎ基合金に含有させれば、Ｓｎ濃度を１９質量％まで高めることができる。
このＳｎ濃度についてさらに詳しく説明する。Ｓｎ濃度は、通常１５．６質量％より大きくできない。これは、Ｃｕ−Ｓｎ基合金中に１５．６質量％を超えてＳｎを含有させようとすると、Ｃｕ−Ｓｎの金属間化合物が生成するからである。また、Ｃｕ−Ｓｎの金属間化合物には、代表的なものとして「δ相」がある。このδ相は硬く延性が乏しいので、前駆体１製造時の加工性（後述する減面加工の加工性）が悪くなる。そこで、Ｔｉ及びＺｒの少なくともいずれかをＣｕ−Ｓｎ基合金に含有させる。すると、Ｃｕ−Ｓｎ基合金中のδ相を消失させることができる。その結果、固溶限界とされる１５．６質量％よりも多くのＳｎを、Ｃｕ−Ｓｎ基合金に含有させることができる。具体的には、Ｓｎ濃度を１９質量％まで高めることができる。
【００２１】
Ｎｂ基フィラメント５は、純ＮｂまたはＮｂ基合金からなる。この純Ｎｂは、微量（例えば０．５質量％未満）の不純物を含んだものでも良い。このＮｂ基合金は、添加元素（例えばＴａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｔｉ等）を１０質量％〜０．５質量％程度含有する合金である。Ｎｂ基フィラメント５は、１つの多芯部３中に例えば７本配置される（６本以下や８本以上でも良い）。なお、図１では、複数のＮｂ基フィラメント５のうち、１つのＮｂ基フィラメント５にのみ符号を付している。Ｎｂ基フィラメント５の軸直角断面の形状は、例えば円形である（円形でなくても良い）。
【００２２】
このＮｂ基フィラメント５の直径（軸直角断面が円形でない場合は等価直径）を細くすると、臨界電流密度が高くなる。しかし、Ｎｂ基フィラメント５の直径を細くすると、ｎ値が低くなる。ｎ値とは、超電導状態から常電導状態への転位の鋭さを示す量である。また、Ｎｂ基フィラメント５の（等価）直径Ｄ５は、補強部材８（後述）の等価直径Ｄ８との比率「Ｄ５／Ｄ８」が、例えば０．００１〜０．０１５、好ましくは０．００３〜０．０１１となるように設定する。
【００２３】
拡散障壁層６は、Ｎｂ３Ｓｎ生成熱処理の際に超電導マトリックス部２内のＳｎが外部（安定化銅層７）に拡散することを抑制する層である。拡散障壁層６は、超電導マトリックス部２の外周（径方向外側）、かつ、安定化銅層７の内周（径方向内側）に配置される。拡散障壁層６は、Ｎｂ層およびＴａ層の少なくともいずれかの層を備える。拡散障壁層６の最内周側の層（超電導マトリックス部２と接する部分）は、Ｔａ層であることが好ましい。その理由は、拡散障壁層６の最内周側の層がＴａ層でなくＮｂ層の場合、拡散障壁層６のＮｂ層と超電導マトリックス部２内のＳｎとがＮｂ３Ｓｎ生成熱処理の際に反応し、拡散障壁層６の近傍にＮｂ３Ｓｎ系超電導相（以下、単に「超電導相」とも言う）が形成され、有効フィラメント径が増大して交流損失が大きくなるおそれがあるからである。なお、拡散障壁層６と超電導マトリックス部２とは必ずしも隣接していなくても良く、これらの間に図示しない例えばＣｕ−Ｓｎ基合金層などがあっても良い。
【００２４】
安定化銅層７は、拡散障壁層６の外周（径方向外側）に配置される。安定化銅層７は、超電導線材が超電導状態から常電導状態になったときに、超電導相に過電流が流れて超電導相が焼損すること防ぐための層である。なお、安定化銅層７の軸直角断面の外周側端部に囲まれた形状が、前駆体１の軸直角断面の形状である。
【００２５】
補強部材８は、超電導線材を補強する部材である。補強部材８の軸直角断面の形状は、例えば略楕円形である（円形や矩形などでも良い）。補強部材８は、超電導マトリックス部２内に配置される。すなわち、補強部材８は、超電導マトリックス部２の外周側端部よりも径方向内側に配置され、好ましくは超電導マトリックス部２の内周側端部よりも径方向内側に配置される。補強部材８は、超電導マトリックス部２の軸直角断面の中央に集中配置される（これ以外の配置は後述）。前記「集中配置」とは、複数箇所に分かれて（例えば分散して）配置されることではなく、一箇所のみに集めて配置されることを意味する。補強部材８が前記「中央に配置される」とは、超電導マトリックス部２の軸直角断面の概ね中央の領域に補強部材８が配置されることを意味する。補強部材８は、超電導マトリックス部２の軸直角断面の中心（図心）に配置されていなくても良い。さらに詳しくは、補強部材８の軸直角断面の外周全体が超電導マトリックス部２よりも内側にあることが前記「中央に配置される」ことの必要条件とする。具体的には例えば、補強部材８の軸直角断面の外周と拡散障壁層６との間に超電導マトリックス部２が存在しない部分がある場合は、前記「中央に配置される」に含まれない。
【００２６】
この補強部材８は、純ＴｉまたはＴｉ基合金からなる。この純Ｔｉは、微量（例えば０．５質量％未満）の不純物を含んだものでも良い。また、補強部材８を形成するＴｉ基合金は、添加元素を１０質量％〜０．５質量％程度含有する合金である。純ＴｉよりもＴｉ基合金のほうが硬い。よって、補強部材８をＴｉ基合金で形成した場合に比べ、補強部材８を純Ｔｉで形成した場合は、前駆体１製造時の加工性（後述する減面加工の加工性）が良い。また、補強部材８を純Ｔｉで形成した場合に比べ、補強部材８をＴｉ基合金で形成した場合は、補強部材８の（超電導線材の）強度が高くなる。ただし、Ｔｉ基合金中の添加元素が１０質量％を超えると上記の加工性が悪化するので、添加元素は１０質量％以下であることが好ましい。
【００２７】
この補強部材８の面積率Ａ（前駆体１全体の軸直角断面に占める補強部材８の面積率Ａ）は、次式で表される。
面積率Ａ＝（補強部材８の断面積／前駆体１全体の断面積）×１００（％）
面積率Ａは、例えば５〜３０％である。面積率Ａの下限は５％より大きくても良く、例えば８％、１０％、１５％などでも良い。面積率Ａの上限は３０％より小さくても良く、例えば２０％、２５％などでも良い。面積率Ａが大きいほど超電導線材の強度は上がる。しかし、面積率Ａが大きいほど、前駆体１全体の軸直角断面に占める超電導マトリックス部２（超電導相）の割合は減り、超電導線材の軸直角断面全体当たりの臨界電流密度は下がる。
【００２８】
この補強部材８の外周は、超電導マトリックス部２のブロンズマトリックス部４と直接接触する。この補強部材８の配置は、補強部材８内のＴｉ元素がブロンズマトリックス部４内へ拡散できるようにするためのものである。補強部材８の外周の全体が、ブロンズマトリックス部４と直接接触することが好ましい（Ｔｉが拡散しやすいため）。なお、補強部材８の外周の一部のみが、ブロンズマトリックス部４と直接接触しても良い。
【００２９】
（製法）
次に、ブロンズ法によるＮｂ３Ｓｎ超電導線材の製法の一例を説明する。超電導線材の製法は、一次スタック材（多芯部３に対応）を作製する第１工程と、一次スタック材等を用いて二次多芯ビレット（前駆体１が形成される前の段階のもの）を作製する第２工程と、二次多芯ビレットを加工して前駆体１を形成する第３工程と、前駆体１にＮｂ３Ｓｎ生成熱処理を施して超電導線材とする第４工程とを備える。
【００３０】
第１工程は、一次スタック材（多芯部３に対応。以下、前駆体１の段階での部材名を単に括弧を付して記載する場合がある）を作製する工程である。一次スタック材（多芯部３）は以下（ａ）〜（ｇ）のように作製される。（ａ）Ｃｕ−Ｓｎ基合金棒（ブロンズマトリックス部４）を用意する。（ｂ）Ｃｕ−Ｓｎ基合金棒の軸直角断面の中心とその周囲に、穴を７箇所形成する。（ｃ）その穴に純Ｎｂ棒（またはＮｂ基合金棒）（Ｎｂ基フィラメント５）を挿入する。（ｄ）上記（ｂ）及び（ｃ）を経たＣｕ−Ｓｎ基合金棒（多芯部３）の軸方向両端を、溶接によって真空封止する。この真空封止されたものを「一次多芯ビレット」とする。（ｅ）一次多芯ビレットを静水圧押出し法で押出し（減面加工）する。（ｆ）押出しされた押出材を、引抜加工等により伸線加工（減面加工）する。この伸線加工の途中に、複数回の焼鈍を行う。この焼鈍は、Ｃｕ−Ｓｎ基合金の加工硬化を原因とした断線がおこらない様にするために行う。（ｇ）伸線加工された線材（棒材）を、六角ダイスにより六角断面形状に仕上げる。これにより、一次スタック材（多芯部３）が作製される。
【００３１】
第２工程は、一次スタック材等を用いて二次多芯ビレットを作製する工程である。二次多芯ビレットは次の（ｈ）〜（ｍ）のように作製される。（ｈ）純Ｔｉ棒（またはＴｉ基合金棒）（補強部材８）を用意する。（ｉ）純Ｔｉ等棒（補強部材８）の外周に一次スタック材（多芯部３）を複数配置する。（ｊ）上記（ｉ）の際、純Ｔｉ等棒（補強部材８）の外周と一次スタック材（多芯部３）とを直接接触させる。（ｋ）複数の一次スタック材（超電導マトリックス部２）の外周に純Ｎｂ等のシート（拡散障壁層６）を巻く。（ｌ）これらの部材を一体化させたもの（上記（ｈ）〜（ｋ）を経てできたもの）を、Ｃｕ製パイプ（安定化銅層７）に挿入する。（ｍ）上記（ｌ）を経たＣｕ製パイプ（安定化銅層７）の軸方向両端部を溶接によって真空封止する。この真空封止されたものが「二次多芯ビレット」である。なお、上記各工程の順序は様々に変更できる。例えば、Ｃｕ製パイプ（安定化銅層７）にシート（拡散障壁層６）を挿入し、その内側に複数の一次スタック材（多芯部３）を配置した後、純Ｔｉ等棒（補強部材８）を配置しても良い。
【００３２】
第３工程は、二次多芯ビレットを加工して前駆体１を形成する工程である。この工程は次の（ｎ）及び（ｏ）のように行われる。（ｎ）二次多芯ビレットを静水圧押出し法で押出し（減面加工）する。（ｏ）押出しされた押出材を、引抜加工等により伸線加工（減面加工）する。この伸線加工は、線材の軸直角断面が最終的に矩形状となるように行う。また、上記（ｆ）と同様に、伸線加工の途中に複数回の焼鈍を行う。これにより前駆体１が製造される（この段階の製造物が「前駆体１」である）。
【００３３】
第４工程は、前駆体１にＮｂ３Ｓｎ生成熱処理（拡散熱処理）を施して超電導線材とする工程である。Ｎｂ３Ｓｎ生成熱処理は、真空中で、例えば６５０〜７２０℃で、例えば８０〜２００時間行う。このＮｂ３Ｓｎ生成熱処理により、ブロンズマトリックス部４（Ｃｕ−Ｓｎ基合金）とＮｂ基フィラメント５との界面にＮｂ３Ｓｎ化合物層が生成される。また、このＮｂ３Ｓｎ生成熱処理により、補強部材８のＴｉ元素がブロンズマトリックス部４内に拡散される（この拡散は、他の加熱を伴う工程中に生じても良い）。これにより、Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材が製造される。
【００３４】
（実験）
上記製法により「実施例の超電導線材」を製造した。また、比較のために「比較例の超電導線材」を製造した。そして、各超電導線材について、０．２％耐力と、臨界電流とを測定した。
【００３５】
実施例の超電導線材は次のように製造した。上記製法の（ａ）の工程で用意したＣｕ−Ｓｎ基合金棒（ブロンズマトリックス部４）は、Ｃｕ−１５ｗｔ％Ｓｎ、直径１５０ｍｍ、軸方向長さ５００ｍｍである。上記（ｃ）の工程で穴に挿入した純Ｎｂ棒（Ｎｂ基フィラメント５）は、直径１７ｍｍ、軸方向長さ５００ｍｍである。上記（ａ）〜（ｇ）の工程で作製した一次スタック材（多芯部３）の径（六角断面の外接円の直径）は３ｍｍである。上記（ｈ）の工程で用意した純Ｔｉ棒（補強部材８）は、直径６０ｍｍである。上記（ｉ）の工程で純Ｔｉ棒（補強部材）の外周に配置した一次スタック材（多芯部３）は３０００本である。上記（ｌ）の工程で用いたＣｕ製パイプ（安定化銅層７）は、外径１５０ｍｍ、内径１２０ｍｍ、軸方向長さ５００ｍｍである。上記（ｋ）の工程で一次スタック材（超電導マトリックス部２）の外周に巻いたシート（拡散障壁層６）の材料は、純Ｎｂである。上記（ａ）〜（ｏ）の工程により製造された前駆体１の軸直角断面の長辺側長さＷは１ｍｍである。前駆体１の軸直角断面全体に占める補強部材８の面積率Ａは１０％である。この前駆体１にＮｂ３Ｓｎ生成熱処理（拡散熱処理）を施して実施例の超電導線材を得た。
【００３６】
比較例の超電導線材は、実施例の超電導線材と同一の寸法及び構造である。ただし、補強部材８の材料は、実施例では純Ｔｉだが、比較例では純Ｔａである。
【００３７】
０．２％耐力は、液体ヘリウム中（温度４．２Ｋ）に超電導線材を浸漬して、この超電導線材の引張試験を行うことで測定した。臨界電流は、液体ヘリウム中（温度４．２Ｋ）で、１５Ｔ（テスラ）の外部磁場の下で四端子法にて測定した。
【００３８】
実験結果は次のようになった。比較例の超電導線材の結果を１００％としたときの、実施例の超電導線材の結果（比率）を示す。
・線材強度（０．２％耐力＠４．２Ｋ）
比較例：１００％、実施例：１０５％
・超電導特性（臨界電流＠１５Ｔ）
比較例：１００％、実施例：１２０％
【００３９】
（線材強度）比較例よりも実施例の方が０．２％耐力が高かった。これは、低温における機械強度が、ＴａよりもＴｉの方が高いためである。なお、実施例では０．２％耐力が２５０ＭＰａより大きかった。
【００４０】
（超電導特性）比較例よりも実施例の方が臨界電流が高かった。これは、補強部材８のＴｉ元素がブロンズマトリックス部４中に拡散し、Ｔｉ添加効果（後述）が生じたためである。
【００４１】
（効果）
次に、図１に示す前駆体１の効果を説明する。前駆体１は、Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材の製造に用いられる。前駆体１は、純ＮｂまたはＮｂ基合金からなる複数本のＮｂ基フィラメント５がブロンズマトリックス部４（Ｃｕ−Ｓｎ基合金）中に配置された超電導マトリックス部２と、超電導マトリックス部２の外周に配置された拡散障壁層６と、拡散障壁層６の外周に配置された安定化銅層７と、超電導マトリックス部２内に配置された補強部材８とを備える。
【００４２】
（効果１−１）
補強部材８は、純ＴｉまたはＴｉ基合金からなる。また、補強部材８の外周とブロンズマトリックス部４とが直接接触する。よって、Ｎｂ３Ｓｎ生成熱処理時等に、補強部材８のＴｉ元素がブロンズマトリックス部４内（超電導マトリックス部２内）に拡散される。したがって、前駆体１により製造された超電導線材の超電導特性（上部臨界磁場、及び、高磁場での臨界電流密度）を向上できる。
【００４３】
この効果をさらに説明する。前駆体１内に補強部材８を設けると、超電導線材の強度は上がる。一方、前駆体１の軸直角断面に占める超電導マトリックス部２の面積率（超電導相の面積率）は減る。すなわち、Ｃｕ−Ｓｎ基合金（ブロンズマトリックス部４）とＮｂ基フィラメント５との接触領域が減る。よって、補強部材８を単に設けるだけでは、超電導特性が小さくなってしまう。しかし、本発明では、上記のＴｉ添加効果により、超電導線材の超電導特性を向上できる。すなわち、本発明では、補強部材８を設けたことによる超電導特性の低下を抑制できる。
【００４４】
（効果１−２）
補強部材８は、純ＴｉまたはＴｉ基合金からなる。
純ＴｉまたはＴｉ基合金は、補強部材８として従来用いられていた高強度材（Ｔａ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｚｒ、Ｈｆなど）に比べ、安定入手が容易であり安価である。よって、前駆体１は容易に量産できる。
純ＴｉまたはＴｉ基合金は、補強部材８として従来用いられていたアルミナ分散銅等に比べ、低温での機械強度特性（低温脆性など）が高い。よって、前駆体１から製造された超電導線材の強度を従来よりも高くできる。
【００４５】
（効果２）
補強部材８は、超電導マトリックス部２の軸直角断面の中央に集中配置される。よって、超電導マトリックス部２内に補強部材８を分散配置させた場合に比べ、補強部材８を容易に配置できる。その結果、前駆体１を容易に製造できる。
【００４６】
（効果３）
前駆体１は、軸直角断面が矩形状である。よって、前駆体１を用いて製造された超電導線材をコイルの巻線として用いる場合、軸直角断面が円形状の超電導線材に比べ、超電導線材間のデッドスペースを少なくできる。その結果、このコイルの電流密度を上げることができ、このコイルを用いた超電導マグネットをコンパクト化できる。
【００４７】
（効果４）
本発明の超電導線材（Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材）は、前駆体１に対して、Ｎｂ３Ｓｎ生成熱処理を施してＮｂ３Ｓｎ系超電導相を形成させることで製造される。この超電導線材は、上記（効果１）〜（効果３）の効果を奏するものである。
【００４８】
（その他の効果１）
ブロンズマトリックス部４を形成するＣｕ−Ｓｎ基合金中のＳｎの濃度（Ｓｎ濃度）は、１３．５質量％以上である。よって、Ｓｎ濃度が１３．５質量％未満の場合よりも、臨界電流密度を高くできる。したがって、補強部材８を設けたことによる超電導特性の低下をさらに抑制できる。
【００４９】
（その他の効果２）
補強部材８は、純ＴｉまたはＴｉ基合金からなる。純ＴｉまたはＴｉ基合金は、補強部材８として従来用いられていた材料（アルミナ分散銅、上記の高強度材など）に比べ、比強度（引っ張り強さ／密度）が高い。よって、前駆体１から製造された超電導線材を従来よりも軽量化できる。その結果、この超電導線材を用いて製作される超電導マグネットの軽量化や、この超電導マグネットのサポート構造の簡易化ができる。
【００５０】
（変形例１）
図２に変形例１の前駆体１１を示す。図１に示すように、上記実施形態の前駆体１の補強部材８は、超電導マトリックス部２の軸直角断面の中央に集中配置された。一方、図２に示すように、超電導マトリックス部２中に補強部材１８を分散配置しても良い。以下、この相違点をさらに説明する。
【００５１】
前駆体１１は、図１に示す前駆体１の補強部材８に変えて、超電導マトリックス部２中に分散配置された補強部材１８を備える。例えば、図１に示す前駆体１の複数の多芯部３の一部を、図２に示す補強部材１８に置き換えることで、補強部材１８が分散配置される。なお、図２では、複数の補強部材１８（黒く塗りつぶして示す）のうち一部にのみ符号を付している。
【００５２】
（変形例２）
また、図１に示す前駆体１の補強部材８と、図２に示す前駆体１１の補強部材１８とを組み合わせても良い。すなわち、前駆体１（１１）は、超電導マトリックス部２の軸直角断面の中央に集中配置された補強部材８（図１参照）と、超電導マトリックス部２中に分散配置された補強部材１８（図２参照）と、の両方を備えても良い。
【符号の説明】
【００５３】
１、１１ 前駆体（Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材製造用前駆体）
２ 超電導マトリックス部
４ ブロンズマトリックス部４（Ｃｕ−Ｓｎ基合金）
５ Ｎｂ基フィラメント
６ 拡散障壁層
７ 安定化銅層
８、１８ 補強部材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材の製造に用いられる前駆体であって、
純ＮｂまたはＮｂ基合金からなる複数本のＮｂ基フィラメントがＣｕ−Ｓｎ基合金中に配置された超電導マトリックス部と、
前記超電導マトリックス部の外周に配置された拡散障壁層と、
前記拡散障壁層の外周に配置された安定化銅層と、
前記超電導マトリックス部内に配置された補強部材と、
を備え、
前記補強部材は、純ＴｉまたはＴｉ基合金からなり、
前記補強部材の外周と前記Ｃｕ−Ｓｎ基合金とが直接接触する、Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材製造用前駆体。
【請求項２】
前記補強部材は、前記超電導マトリックス部の軸直角断面の中央に集中配置される、請求項１に記載のＮｂ３Ｓｎ超電導線材製造用前駆体。
【請求項３】
軸直角断面が矩形状である、請求項１または２に記載のＮｂ３Ｓｎ超電導線材製造用前駆体。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のＮｂ３Ｓｎ超電導線材製造用前駆体に対して、Ｎｂ３Ｓｎ生成熱処理を施してＮｂ３Ｓｎ系超電導相を形成させることで製造される、Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材。
【請求項１】
Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材の製造に用いられる前駆体であって、
純ＮｂまたはＮｂ基合金からなる複数本のＮｂ基フィラメントがＣｕ−Ｓｎ基合金中に配置された超電導マトリックス部と、
前記超電導マトリックス部の外周に配置された拡散障壁層と、
前記拡散障壁層の外周に配置された安定化銅層と、
前記超電導マトリックス部内に配置された補強部材と、
を備え、
前記補強部材は、純ＴｉまたはＴｉ基合金からなり、
前記補強部材の外周と前記Ｃｕ−Ｓｎ基合金とが直接接触する、Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材製造用前駆体。
【請求項２】
前記補強部材は、前記超電導マトリックス部の軸直角断面の中央に集中配置される、請求項１に記載のＮｂ３Ｓｎ超電導線材製造用前駆体。
【請求項３】
軸直角断面が矩形状である、請求項１または２に記載のＮｂ３Ｓｎ超電導線材製造用前駆体。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のＮｂ３Ｓｎ超電導線材製造用前駆体に対して、Ｎｂ３Ｓｎ生成熱処理を施してＮｂ３Ｓｎ系超電導相を形成させることで製造される、Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１３−６２０３９（Ｐ２０１３−６２０３９Ａ）
【公開日】平成２５年４月４日（２０１３．４．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１９７９３４（Ｐ２０１１−１９７９３４）
【出願日】平成２３年９月１２日（２０１１．９．１２）
【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)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月４日（２０１３．４．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月１２日（２０１１．９．１２）
【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)
【Ｆターム（参考）】
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