JP2007305503A

JP2007305503A - 強化材及び化合物超電導線材

Info

Publication number: JP2007305503A
Application number: JP2006134716A
Authority: JP
Inventors: Akio Kimura; 昭夫木村; Takeshi Endo; 壮遠藤
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 2006-05-15
Filing date: 2006-05-15
Publication date: 2007-11-22
Anticipated expiration: 2026-05-15
Also published as: JP4762782B2

Abstract

【課題】引張強度、破断応力の全ての特性を満足したCu/NbTi系強化型Nb3Sn線材を提供する。
【解決手段】Cu/NbTi系強化型Nb₃Sn線材１０は、超電導線材であるNb₃Sn線材の強度を高めるために、中心部にCu/NbTi系強化材層１１を形成している。Cu/NbTi系強化材層１１に埋設されたNbTiフィラメント１７の径を適切な値にすることで、その強度を高めることができ、NbTiフィラメント１７の径を10μｍ以上40μｍ以下とした場合には、NbTiフィラメント１７単体の引張強度を600MPa超とすることが可能となる。その結果、Cu/NbTi系強化型Nb₃Sn線材１０の0.2％耐力を300MPa以上とすることが可能となる。

【選択図】図１

Description

本発明は、化合物系超電導線であるNb₃Sn線材等の高強度化に用いるCu/NbTi系強化材、及びこれを用いたCu/NbTi系強化型Nb₃Sn線材等の化合物超電導線材に関するものである。

近年、超電導マグネットの高磁界化・大口径化に伴って、強大な電磁力であるフープ力に耐える高強度な超電導線材の開発が強く望まれている。特に、高磁界下での使用に適したNb₃Sn線材の強度を高めるために、強化材の開発が従来より進められている。初期の強化材（Ta、アルミナ分散銅、銅ニオブ等）は、0.2％耐力に相当する引張強度が300MPaを実現することができず、高磁界化の要望にこたえることができなかった。

また、強化材としてCu/NbTi系強化材を用いたCu/NbTi系強化型Nb₃Sn線材の開発も従来より進められてきている。例えば、特許文献１では、Cu/NbTi系強化材であるNb-Ti-Cuフィラメントを常電導金属中に複数埋設して形成された化合物系超電導線が開示されている。
特開昭６３−２４５８２４号公報

しかしながら、従来のCu/NbTi系強化材を用いたCu/NbTi系強化型Nb₃Sn線材でも、もろさが見えるなど実用上、十分な特性を得ることができなかった。

そこで、本発明はこれらの問題を解決するためになされたものであり、引張強度、破断応力の全ての特性を満足したCu/NbTi系強化型Nb3Sn線材を提供することを目的とする。

本発明のCu/NbTi系強化材の第１の態様は、化合物系超電導線の高強度化に用いられ、CuとNiとの合金マトリックスに複数のNbTiフィラメントを埋設した構造を有し、かつ拡散熱処理を施したCu/NbTi系強化材であって、所定の強度を有するように前記NbTiフィラメントの径（直径）が調整されていることを特徴とする。

本発明のCu/NbTi系強化材の他の態様は、CuとNiとの合金マトリックスに複数のNbTiフィラメントを埋設した構造を有し、かつ拡散熱処理を施したCu/NbTi系強化材であって、前記NbTiフィラメント径が、10μｍ以上40μｍ以下であることを特徴とする。

本発明のCu/NbTi系強化材の他の態様は、前記NbTiフィラメント径が、15μｍ以上30μｍ以下であることを特徴とする

本発明のCu/NbTi系強化材の他の態様は、前記NbTiフィラメント径が、20μｍ以上30μｍ以下であることを特徴とする。

本発明のCu/NbTi系強化型化合物超電導線材の第１の態様は、上記いずれかの態様のCu/NbTi系強化材を埋設するCu/NbTi系強化材層と、超電導線フィラメントを埋設する超電導層と、を少なくとも有していることを特徴とする。

本発明のCu/NbTi系強化型化合物超電導線材の他の態様は、前記超電導線フィラメントがNb₃Snフィラメントであることを特徴とする。

本発明のCu/NbTi系強化型化合物超電導線材の他の態様は、前記Cu/NbTi系強化材層を中心に、第１の拡散障壁層と、前記超電導層と、第２の拡散障壁層と、Cu層とを同心円状に順次形成してなることを特徴とする。

本発明のCu/NbTi系強化型化合物超電導線材の他の態様は、前記超電導層を中心に、前記第１の拡散障壁層と、前記Cu/NbTi系強化材層と、前記第２の拡散障壁層と、前記Cu層とを同心円状に順次形成してなることを特徴とする。

本発明のCu/NbTi系強化型化合物超電導線材の他の態様は、前記第１の拡散障壁層及び第２の拡散障壁層は、Nb又はTaからなることを特徴とする。

本発明によれば、引張強度、破断応力の全ての特性を満足したCu/NbTi系強化型Nb₃Sn線材を提供することができる。

図面を参照して本発明の好ましい実施の形態におけるCu/NbTi系強化材及びCu/NbTi系強化型Nb₃Sn線材について詳細に説明する。なお、同一機能を有する各構成部については、図示及び説明簡略化のため、同一符号を付して示す。

図１は、本発明の実施の形態に係るCu/NbTi系強化型Nb₃Sn線材の構成を示す断面図である。本実施形態のCu/NbTi系強化型Nb₃Sn線材１０は、Cu/NbTi系強化材層１１を中心に、第１の拡散障壁層１２とNb₃Sn超電導層１３と第２の拡散障壁層１４とCu層１５とが同心円状に順次形成された構造を有している。

Cu/NbTi系強化型Nb₃Sn線材１０は、超電導線材であるNb₃Sn線材の強度を高めるために、中心部にCu/NbTi系強化材層１１を形成している。Cu/NbTi系強化材層１１は、CuとNiとからなるCuNi合金マトリックス１６に複数本のNbTiフィラメント１７を埋設した構造を有している。

またNb₃Sn超電導層１３は、Nbからなる芯１８の周りに形成されたNb₃Snフィラメント１９が、CuSnからなるブロンズ２０の内部に複数埋設された構造を有している。

Cu/NbTi系強化材層１１とNb₃Sn超電導層１３との間に設けられた第１の拡散障壁層１２は、Nb₃Sn超電導層１３に含まれるSn（ブロンズ２０に含まれるSn）がCuNi合金マトリックス１６内に拡散するのを防止するために設けられたものである。同様に、Nb₃Sn超電導層１３とCu層１５との間にも第２の拡散障壁層１４を設けることで、Nb₃Sn超電導層１３に含まれるSnがCu層１５内に拡散するのを防止するのが好ましい。第１の拡散障壁層１２及び第２の拡散障壁層１４は、Nb又はTaで形成することができる。

上記説明の構造を有するCu/NbTi系強化型Nb₃Sn線材１０では、Cu/NbTi系強化材層１１に埋設されたNbTiフィラメント１７の径を適切な値にすることで、その強度を高めることが可能となる。Cu/NbTi系強化層11の強度として、以下の特性のものがあり、それぞれが所定値以上になることが要求される。

（１）引張強度(0.2％耐力)
（２）破断応力(応力-歪特性)
本実施形態のCu/NbTi系強化型Nb₃Sn線材１０では、NbTiフィラメント１７の径を10μｍ以上40μｍ以下とすることで、Cu/NbTi系強化材層１１単体の引張強度（0.2％耐力で評価）を600MPa超とすることが可能である。また、好ましくはNbTiフィラメント１７の径を15μｍ以上30μｍ以下とするのがよく、さらに好ましくはNbTiフィラメント１７の径を20μｍ以上30μｍ以下とするのがよい。

NbTiフィラメント１７の径を上記のようにしたとき、Cu/NbTi系強化材層１１単体で600MPa超の引張強度を得ることが可能となり、その結果、Cu/NbTi系強化型Nb₃Sn線材１０の0.2％耐力を300MPa以上とすることが可能となる。

NbTiフィラメント１７の径の大きさとその引張強度の関係を評価した結果を、実施例を用いて以下に説明する。まず、引張強度（0.2％耐力）を測定した結果を表１及び図２に示す。なお、以下での評価は、規格番号JIS H 7303:2002、標題「超電導 ― 機械的性質の試験方法 ― 銅安定化ニオブ・チタン複合超電導体の室温引張試験」に従って行ったものである。

本実施例では、NbTiフィラメント１７の径をそれぞれ20、25、31、40、51μmとしたときのCu/NbTi系強化材層１１の単体を作成し、それぞれを熱処理して、Cu/NbTi系強化材層１１が強化材としての特性を発現するようにした後に強度を測定している。表１及び図２の結果より、NbTiフィラメント１７の径が25μｍの近傍で引張強度が最大となることが示されている。また、NbTiフィラメント１７の径が40μｍ以下では600MPa超の引張強度が得られることが示されている。

次に、破断応力(応力-歪特性)を評価した結果を図３に示す。ここでは、NbTiフィラメント１７の径を25μｍ、40μｍ、51μmとしたときの応力-歪特性をそれぞれ３１，３２、３３で示している。図３より、NbTiフィラメント１７の径を細くするほど、破断応力を高くすることができることが示されている。

上記の結果は、NbTiフィラメント１７の全体がCuTi等の金属間化合物を生成しているのではなく、その一定量のみがCuあるいはNiと金属間化合物を生成して強度を高めていることによるものである。そこで、NbTiフィラメント１７の径を小さくすることで、金属間化合物の生成割合を増加させることができ、これにより強度を高めることが可能となる。

次に、Cu/NbTi系強化型Nb₃Sn線材１０の実施例を以下に説明する。ここでは、Cu/NbTi系強化型Nb₃Sn線材１０の径を1〜2mmとしたときの実施例を説明する。
Cu/NbTi系強化材層１１は、径25mmのNbTiフィラメント１７を用いた場合、CuNi合金マトリックス１６に約800本埋設させて形成することができる。CuNi合金マトリックス１６としては、Cu-10ｗ％Ni合金を用いるのがよい。

第１の拡散障壁層１２及び第２の拡散障壁層１４は、それぞれの厚さをともに11mmとすることができる。また、Cu/NbTi系強化型Nb₃Sn線材１０の線材構成を、Cu層１５の比率26.4%、Nb₃Sn超電導層１３の比率47.1%、Cu/NbTi系強化材層１１の比率26.5%とすることができる。但し、この構成比率は、第１の拡散障壁層１２及び第２の拡散障壁層１４を除いた比率で示している。

上記のように構成された本実施例のCu/NbTi系強化型Nb₃Sn線材１０について、温度4.2K、磁界14.5Tの条件で応力-歪特性を測定した結果を図４に示す。同図では、比較のために従来のNb₃Sn線材の応力-歪特性も合わせて示しており、Cu/NbTi系強化型Nb₃Sn線材１０の応力-歪特性を３４、従来のNb₃Sn線材の応力-歪特性を３５でそれぞれ示している。なお、従来のNb₃Sn線材では、Cu/NbTi系強化材層１１を安定化銅に置き換えた構造としている。

図４より、4.2Kでの引張強度(0.2％耐力)は、Cu/NbTi系強化型Nb₃Sn線材１０で370MPa、従来のNb₃Sn線材で150MPaとなった。すなわち、本実施例のCu/NbTi系強化型Nb₃Sn線材１０は、従来のNb₃Sn線材の２倍以上の引張強度を有していることがわかる。

上記の通り、NbTiフィラメント１７の径を10〜40μmの範囲とすることにより、Cu/NbTi系強化材層１１単体の引張強度を600MPa超とすることができ、このCu/NbTi系強化材層１１を用いたCu/NbTi系強化型Nb₃Sn線材１０では、その引張強度として300MPa以上を確保することが可能となる。

これに対し、NbTiフィラメントの径を40μmを超える値とした場合には、Cu/NbTi系強化材層単体の引張強度として600MPaを確保することが困難となり、このCu/NbTi系強化材層を用いたCu/NbTi系強化型Nb₃Sn線材では、その引張強度として300MPaを確保できなくなってしまう。

上記では、NbTiフィラメント１７の径の下限を10μmとしたが、これは主として加工の容易性で決定したものであり、NbTiフィラメント１７の径をこれより細くすると、断線が多発して加工が困難となってしまう。NbTiフィラメント１７の径の下限を10μmとすることで、加工容易なCu/NbTi系強化型Nb₃Sn線材１０を提供することが可能となる。

本発明の別の実施形態に係るCu/NbTi系強化型Nb₃Sn線材を図５を用いて以下に説明する。図５は、本実施形態のCu/NbTi系強化型Nb₃Sn線材４０の構成を示す断面図である。本実施形態のCu/NbTi系強化型Nb₃Sn線材４０は、図１に示したCu/NbTi系強化型Nb₃Sn線材１０のCu/NbTi系強化材層１１とNb₃Sn超電導層１３との配置を入れ替えた構造を有している。

すなわち、本実施形態のCu/NbTi系強化型Nb₃Sn線材４０は、Nb₃Sn超電導層１３を中心に、第１の拡散障壁層１２とCu/NbTi系強化材層１１と第２の拡散障壁層１４とCu層１５とが同心円状に順次形成された構造を有している。

上記説明の構造を有するCu/NbTi系強化型Nb₃Sn線材４０においても、NbTiフィラメント１７の径を10μｍ以上40μｍ以下とすることで、NbTiフィラメント１７単体の引張強度（0.2％耐力で評価）を600MPa超とすることが可能となる。その結果、Cu/NbTi系強化型Nb₃Sn線材４０の引張強度として300MPa以上を確保することが可能となる。

本実施形態においても、好ましくはNbTiフィラメント１７の径を15μｍ以上30μｍ以下とするのがよく、さらに好ましくはNbTiフィラメント１７の径を20μｍ以上30μｍ以下とするのがよい。

次に、Cu/NbTi系強化型Nb₃Sn線材１０の製造方法を、図６を用いて以下に説明する。同図において、（ａ）はCu/NbTi系強化材を製造する工程を示しており、（ｂ）は、Cu/NbTi系強化材を用いて、Cu/NbTi系強化型Nb₃Sn線材１０を製造する工程を示している。（ｂ）の製造工程で用いられるCu/NbTi系強化材は、（ａ）の製造工程で製造されたものである。

図６（ａ）に示すCu/NbTi系強化材の製造工程では、まず円柱状NbTi５１をチューブ状Cu５２の内部に挿入し、これを押出・伸線することで第１の中間体５３を形成する。次に、第１の中間体５３を所定本数だけチューブ状Cu５４の内部に挿入し、これを押出・伸線し、第２の中間体５５を形成する。最後に、所定の長さに製直、切断してCu/NbTi系強化材５６を製造する。

次に、図６（ｂ）に示すCu/NbTi系強化型Nb₃Sn線材１０の製造工程では、まず円柱状のNbインゴット５７をCuSnブロンズ管５８の内部に挿入し、これを押出し、中間焼鈍を入れながら伸線し、第３の中間体５９を形成する。つぎに、チューブ状Cu６０の内面に所定幅のTa又はNbからなる第２の拡散障壁層６１を配設し、さらに内側にTa又はNbからなる第１の拡散障壁層６２を配設する。第２の拡散障壁層６０と第１の拡散障壁層６１との間には所定本数の第３の中間体５９を挿入する一方、第１の拡散障壁層６１の内側には所定本数のCu/NbTi系強化材５６を挿入することで第４の中間体６３を形成する。

さらに、第４の中間体６３を押出し、中間焼鈍を入れながら伸線し、第５の中間体６４を形成する。最後に、第５の中間体６４を反応熱処理することで、Cu/NbTi系強化型Nb₃Sn線材１０を製造する。

なお、本実施の形態における記述は、本発明に係るCu/NbTi系強化材及びCu/NbTi系強化型Nb₃Sn線材の一例を示すものであり、これに限定されるものではない。本実施の形態におけるCu/NbTi系強化材及びCu/NbTi系強化型Nb₃Sn線材の細部構成等に関しては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

本発明の実施形態に係るCu/NbTi系強化型Nb₃Sn線材の構成を示す断面図である。 NbTiフィラメントの径の大きさと引張強度との関係を示すグラフである。 NbTiフィラメントの径を変えて破断応力(応力-歪特性)を測定した結果を示すグラフである。本発明のCu/NbTi系強化型Nb₃Sn線材の応力-歪特性を測定した結果を示すグラフである。本発明の別の実施形態に係るCu/NbTi系強化型Nb₃Sn線材の構成を示す断面図である。 Cu/NbTi系強化型Nb₃Sn線材１０の製造方法を示す工程図である。

符号の説明

１０、４０ Cu/NbTi系強化型Nb₃Sn線材
１１ Cu/NbTi系強化材層
１２、６２第１の拡散障壁層
１３ Nb₃Sn超電導層
１４、６１第２の拡散障壁層
１５ Cu層
１６ CuNi合金マトリックス
１７ NbTiフィラメント
１８芯
１９ Nb₃Snフィラメント
２０ブロンズ
３１〜３５応力-歪特性
５１円柱状NbTi
５２、５４、６０チューブ状Cu
５３第１の中間体
５５第２の中間体
５６ Cu/NbTi系強化材
５７ Nbインゴット
５８ CuSnブロンズ管
５９第３の中間体
６３第４の中間体
６４第５の中間体

Claims

化合物系超電導線の高強度化に用いられ、CuとNiとの合金マトリックスに複数のNbTiフィラメントを埋設した構造を有し、かつ拡散熱処理を施したCu/NbTi系強化材であって、
所定の強度を有するように前記NbTiフィラメントの径（直径）が調整されている
ことを特徴とするCu/NbTi系強化材。
CuとNiとの合金マトリックスに複数のNbTiフィラメントを埋設した構造を有し、かつ拡散熱処理を施したCu/NbTi系強化材であって、前記NbTiフィラメント径は、10μｍ以上40μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のCu/NbTi系強化材。
前記NbTiフィラメント径は、15μｍ以上30μｍ以下である
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のCu/NbTi系強化材。
前記NbTiフィラメント径は、20μｍ以上30μｍ以下である
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のCu/NbTi系強化材。
請求項１から請求項４のいずれかのCu/NbTi系強化材を埋設するCu/NbTi系強化材層と、超電導線フィラメントを埋設する超電導層と、を少なくとも有している
ことを特徴とするCu/NbTi系強化型化合物超電導線材。
前記超電導線フィラメントはNb₃Snフィラメントであることを特徴とする請求項５に記載のCu/NbTi系強化型化合物超電導線材。
前記Cu/NbTi系強化材層を中心に、第１の拡散障壁層と、前記超電導層と、第２の拡散障壁層と、Cu層とを同心円状に順次形成してなる
ことを特徴とする請求項５又は請求項６に記載のCu/NbTi系強化型化合物超電導線材。
前記超電導層を中心に、前記第１の拡散障壁層と、前記Cu/NbTi系強化材層と、前記第２の拡散障壁層と、前記Cu層とを同心円状に順次形成してなる
ことを特徴とする請求項５又は請求項６に記載のCu/NbTi系強化型化合物超電導線材。
前記第１の拡散障壁層及び第２の拡散障壁層は、Nb又はTaからなることを特徴とする請求項７又は請求項８に記載のCu/NbTi系強化型化合物超電導線材。