JP2606393B2 - 化合物系超電導線の接続方法 - Google Patents

化合物系超電導線の接続方法

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【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、化合物系超電導線とくにブロンズ法により
製造するNb3Sn系化合物超電導線における安定した超電
導接続を確立できると共に、接続部の機械的強度をも確
保可能な改良された接続方法に関するものである。
[従来の技術] 化合物系超電導線には種々な成分系のものが発表され
ているが、実際に実用化されているものはNb3Sn系ある
いはそれにTiをドープして高磁界性能の向上を図ったも
のがほぼ主流を占めている。
このような超電導線がもし合金系であれば、超電導線
の露出された端部を単に溶接しさえすればよく、その接
続はまことに容易である。
しかし、接続対象が、化合物系となると甚だ厄介であ
る。すなわち、化合物系超電導線の超電導部分は、化合
物を生成する金属元素を接触させ拡散加熱することによ
り、その拡散層に所望の金属間化合物を生成させるもの
であり、接触部においてもその化合物が超電導線側と連
続していなければならない。もしその連続が途切れてし
まえば、その途切れた部分は超電導体ではなくなってし
まい、超電導線としての用をなさなくなるからである。
Nb3Sn系超電導線の製造方法には、表面拡散法、ブロ
ンズ法、インサイチュー法あるいは粉末法など様々な提
案がある。
しかし、工業的規模の量産に適用されているのは、目
下のところそのうちのブロンズ法である。
このブロンズ法は、第4図に示すように極細のNbフィ
ラメント1,1の多数本をCu−Snブロンズ2のマトリック
ス内に埋込み、その外周にNbバリア3を設け、このよう
にして形成されたサブマルチ線4,4の複数をCu安定化材
5の中に埋込み、Nb3Sn系超電導線6を得るものであ
る。
ここにおいて、Cu安定化材5はその文字の示す通り安
定化材としての役目を果すものであり、Nbバリア3を設
けるのは、Cu−Snブロンズ側より拡散してきた元素によ
りCu安定化材の導電率が低下し安定化材としての役目が
不十分とならないように、このNbバリア3によって安定
化Cu側への拡散を阻止するためである。
第4図のように構成し、これを所定のNb3Sn化合物の
生成する温度にまで加熱してやれば、Nbフィラメント1
とCu−Snブロンズとの間で拡散が生じNbフィラメントの
界面にNb3Sn化合物層が生成され、この層が超電導特性
を示す。なお、ここにCu−Snブロンズを使用するのは、
CuがNbとSnの反応を促進させる効果を有することも配慮
する意味がある。
このようなNb3Sn系超電導線の接続法の従来例として
は、第3図に示すような提案がある。すなわち、接続し
ようとする超電導線6,6′(もっとも、この段階では未
だ拡散加熱はされておらず正しくはNb3Sn化合物の生成
前の中間製品であるが、以下この段階をも含め超電導線
と呼ぶものとする)の端部の安定化Cu5,5′およびNbバ
リア3,3′ならびにサブマルチ線のCu−Snブロンズマト
リックスを硝酸等で溶解し、所定長のNbフィラメント1,
1および1′,1′を露出させる。この露出させたNbフィ
ラメント1,1および1′,1′を図のように撚合せ状態と
して接合させ、その上に安定化Cu5,5′の先端部分から
当該撚合せ接合部分にブロンズパイプ10を被覆し、この
ブロンズパイプ10とNbフィラメントの撚合せ接合部を共
に圧縮し、その後前述したNb3Sn生成のための拡散加熱
を行ない、ブロンズパイプとNbフィラメントとの間にNb
3Sn層の超電導化合物を生成させるものである。
また、別な提案例として、上述同様にしてNbフィラメ
ントを露出させた後それらを互いに接合させ、これをN
b、Sn粉末の混合物を含んだNbスリーブ中へ挿入し、圧
縮変形させ一体化させた後、接合部を外部から加熱して
熱処理を行ない、NbフィラメントおよびNbスリーブ内
側、Nb粉末同志にNb3Sn層の超電導金属間化合物を形成
して接続する方法も提案されている。
[発明が解決しようとする課題] 上記した二つの既提案例のうち、前者すなわち第3図
に示したブロンズパイプ10の被覆、圧縮だけでは、撚合
せたNbフィラメント1,1′の外周とブロンズパイプ10の
接触部にのみNb3Sn形成による超電導接続が実現される
だけであり、特性的にみて不十分なものしか得られな
い。
一方、後者すなわちNb、Sn粉末の混合物を含んだNbス
リーブ中でNbフィラメントを接触させ、圧縮変形させて
加熱する方法は、Nbフィラメント同志、Nbフィラメント
とNbスリーブの内側、Nb粉末同志におけるNb3Sn形成に
よる超電導接続が可能となるが、実際には、Nb3Sn生成
のための熱処理による加熱の際に、融点の低いSn粉末の
溶融が先に生じてしまい、Nbスリーブ内にそのための間
隙ができる。このため、Nb粉末の密着性が低下しNb3Sn
の連続的な形成が阻害され、必ずしも満足の行くような
超電導接続は達成されない。しかも、本方法によって
は、NbとSnの化学量論値の割合である37wt%Snの採用は
できない。
本発明の目的は、上記したような従来技術の問題点を
解決し、化合物系超電導線とくにブロンズ法により製造
するNb3Sn系化合物超電導線における安定した超電導接
続を確立できる上、接続部の機械的強度をも確保可能な
新規な化合物系超電導線の接続方法を提供しようとする
ものである。
[課題を解決するための手段] 本発明は、Nb3Sn系マルチフィラメント型の超電導線
相互を接続するに当り、先ず接続すべき超電導線の対応
する端部の安定化Cu、NbバリアおよびCu−Snブロンズを
酸等により溶解除去してNbフィラメントを所定長残存露
出させ、ついで露出したNbフィラメント相互を撚合せて
接合させ、当該撚合せたNbフィラメントをNb、Sn、Cuそ
れぞれの粉末の混合物中に挿入すると共にその外周にNb
スリーブを着合させ、そのようにして形成した接続部を
Sn粉末の溶融温度よりも高い温度に加熱してSn粉末が溶
融した状態下で接続部を外部より圧縮一体化し、その後
接続部並びに超電導線全体をNb3Snの生成温度において
加熱し、超電導線内のNbフィラメントの界面および接続
部にNb3Snの連続した化合物を生成させるものであり、
また、上記接続する場合に、接続すべき超電導線の対応
する端部をやや平行状態となるような傾斜面に切断し、
安定化Cu、NbバリアおよびCu−Snブロンズを酸等により
溶解除去してNbフィラメントを前記それぞれの傾斜面よ
り余り大きく突出しない程度の長さに露出突出させ、Nb
フィラメントを突出させた傾斜面の間にNb、Sn、Cuそれ
ぞれの粉末の混合物を充填すると共にその外周にNbスリ
ーブを着合させ、そのようにして形成した接続部をSn粉
末の溶融温度よりも高い温度に加熱してSn粉末が溶融し
た状態下で接続部を外部より圧縮一体化し、その後接続
部並びに超電導線全体をNb3Snの生成温度において加熱
し、超電導線内のNbフィラメントの界面および接続部に
Nb3Snの連続した化合物を生成させるものである。
[作用] Nbフィラメントを露出させ、Nb、Sn、Cuの混合粉末と
共に圧縮一体化するに当り、低温で溶融状態となるSnを
先に溶融する状態にまで加熱しておき、圧縮一体化する
際にはSnが溶融状態下にあるようにして圧縮一体化すれ
ば、他の固定状態の粉末の間隙に万遍なく溶融Snが入り
込み、圧縮一体化した後にはもはや間隙は存在しない。
この状態でNb3Snの拡散生成を行なわせれば、接続部全
体には充実状態でNb3Snが生成され、従来例におけるよ
うにSnの溶融に伴う引けすなわち空隙は発生しないか
ら、極めて安定的に連続状態のNb3Snを接続部に生成さ
せることができ、超電導接続としての特性を格段に向上
させることができる。
[実施例] 以下に、本発明について実施例を参照し説明する。
第1図は本発明に係る第1の実施例を示す説明図であ
り、既に説明した符号と同一符号は実質的に同一構成を
示すものである。
接続すべき超電導線6,6′の安定化Cu5,5′を硝酸によ
って溶解除去する。その後にNbバリア3,3′が現れる
が、これは硝酸によっては溶解しないから、フッ酸と硝
酸を適当量混合したフッ硝酸により一過性の溶解を行な
いNbバリア3,3′を除去し、その後に現れたCu−Snブロ
ンズマトリックスを再び硝酸で溶解除去すれば、その後
にNbフィラメント1,1および1′,1′のみが残存する。
この残存したNbフィラメント1,1および1′,1′を適
当に撚合せ接合させると共に、その外周をNbスリーブで
覆い、内部にNb粉末7,Sn粉末8、Cu粉末9の混合粉末を
充填する。この混合割合は重量パーセントで Nb:Sn:Cu=60:37:3 であり、NbとSnの混合割合はNb3Snの化学量論値であ
る。Cuの3wt%は先に説明したようにNb3Sn生成熱処理時
の反応促進のためである。
この状態でSnの溶融温度(232℃)以上に加熱し、Sn
のみを溶融状態とし、他は固体状態のまま、Nbスリーブ
11を外部より圧縮し、接続部全体を一体化する。
このようにすれば低温で溶融するSnが他の粉末間ある
いはNbフィラメントないしNbスリーブ間に万遍なく入り
込み、空隙部は一切無くなる。
このように圧縮一体化しておいて、つぎにはNb3Snの
生成温度に加熱し所要時間その温度の保持してやれば、
超電導線6,6′のNbフィラメントの界面近傍および接続
部のNbとSnの接触し合っている界面近傍にはNb3Snの層
が拡散によって生成される。このNb3Sn層は超電導線6,
6′と接続部との間で連続層を形成し、超電導線6,6′は
超電導接続される。しかも、接続部には先の従来例にみ
られたような空隙も生ずることがなく、極めて安定した
超電導接続部を被接続超電導線6,6′間に形成させるこ
とができる。
第2図は、本発明に係る第2の実施例を示すものであ
り、特に超電導線6,6′の接続強度を十分に確保可能に
接続する別な接続方法を示す説明図である。
本実施例においては、図にみるように接続すべき超電
導線6,6′の端部を相対応して平行な傾斜面に形成する
ところに特徴がある。
サブマルチ線4(4′は図に現れていない)のエッチ
ングによるNbフィラメント1(1′は図に現れていな
い)の露出工程は、上記第1図において説明した工程と
変りはない。
本実施例において相違するところは、Nbフィラメント
1,1の突出し長さを余り大きくせず、従って、傾斜切断
した被接続超電導線6,6′の傾斜面間隔も余り大きく取
らずに、その間にNb粉末7、Sn粉末8、Cu粉末9の混合
粉末を充填してNbスリーブ11を着合した点にある。
以下は、Snの融点以上の加熱下での圧縮、そしてNb3S
n生成のための拡散加熱処理などいずれも第1図の場合
と変りはない。
しかし、本実施例においては、超電導線6,6′間が十
分に接近し、傾斜面を介して接続部と接続されているか
ら、長手方向の横断面において機械的性質の弱い混合粉
末の融合部を最少限とすることができ、所謂拡散圧接状
態とすることができ、接続部の機械的強度を格段に向上
できる特徴がある。しかも、超電導接続が混合粉末によ
って連続生成されたNb3Sn層によって達成される点にお
いては第1図の場合と変りはないのである。
本発明を実施するに当っての具体的数値は下記の通り
であり、それによって本発明の所期目的を十分に発揮で
きることが確認された。
第1図におけるSnの溶融状態下での実作業は、450℃
で30分間の加熱とし、圧縮荷重は45kg/mm2とした。加熱
温度は300℃〜500℃程度が適当であり、加熱温度が500
℃を越えると超電導特性が劣化する。また、圧縮荷重は
30〜60kg/mm2程度の範囲では特性の変化はないが、圧縮
荷重が120kg/mm2を越えると線材の変形が起り好ましく
ない。
その後、この接続された超電導線全体を外部から600
℃〜700℃の温度で100〜200時間程度加熱して熱処理を
行ない、撚合せたNbフィラメント1,1′、Nbスリーブ11
内部及びNb7、Sn8粉末間に連続的にNb3Sn層を形成させ
ることができ、これらと超電導線6,6′のNb3Snとは連続
状態となることも確認された。
第2図の接続すべき端面を傾斜切断する例において
は、Nbフィラメントを2〜10mmの長さで露出するのが適
当である。その後前述の第1図の実施例で示す加熱温度
450℃30分間、圧縮荷重45kg/mm2の条件で圧縮すること
により、斜面に露出しているCu−SnブロンズおよびCu安
定化材がそれぞれ拡散圧接による接続状態となり、機械
的強度は一段と向上する。
なお、接続部にNbスリーブを使用したことによりその
部分のCu安定化材が欠落することになるが、それを補う
にはさらにCu被覆を行なえばよいものである。また、Nb
スリーブ内に入れるNb、Sn、Cuの粉末は、Nb粉末の廻り
に銅をコーティングし、さらにその廻りにSnをコーティ
ングする所謂複合粉末を用いることにより一層均一な混
合状態で接続を行なうことが可能となる。
[発明の効果] 以上の通り、本発明に係る接続方法によれば、ブロン
ズ法により製造するNb3Sn系化合物超電導線における安
定した超電導接続を確立できる上、接続部の機械的強度
をも確保可能ならしめるものであり、斯業界における本
発明の有する工業上の価値は極めて大きい。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明に係る方法を実施している様子を示す説
明図、第2図は本発明に係る別な実施例を示す説明図、
第3図は従来例の説明図、第4図はブロンズ法による超
電導線の具体的構成を示す説明図である。 1,1′:Nbフィラメント、2,2′:ブロンズ、3,3′:Nbバ
リア、4,4′:サブマルチ線、5,5′:Cu安定化材、6,
6′:超電導線、7:Nb粉末、8:Sn粉末、9:Cu粉末、11:Nb
スリーブ。

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】Nb3Sn系マルチフィラメント型の超電導線
    相互を接続する方法であって、先ず接続すべき超電導線
    の対応する端部の安定化Cu、NbバリアおよびCu−Snブロ
    ンズを酸等により溶解除去してNbフィラメントを所定長
    残存露出させ、ついで露出したNbフィラメント相互を撚
    合せて接合させ、当該撚合せたNbフィラメントをNb、S
    n、Cuそれぞれの粉末の混合物中に挿入すると共にその
    外周にNbスリーブを着合させ、そのようにして形成した
    接続部をSn粉末の溶融温度よりも高い温度に加熱してSn
    粉末が溶融した状態下で接続部を外部より圧縮一体化
    し、その後接続部並びに超電導線全体をNb3Snの生成温
    度において加熱し、超電導線内のNbフィラメントの界面
    および接続部にNb3Snの連続した化合物を生成させる化
    合物系超電導線の接続方法。
  2. 【請求項2】Nb3Sn系マルチフィラメント型の超電導線
    相互を接続する方法であって、先ず接続すべき超電導線
    の対応する端部をやや平行状態となるような傾斜面に切
    断し、安定化Cu、NbバリアおよびCu−Snブロンズを酸等
    により溶解除去してNbフィラメントを前記それぞれの傾
    斜面より余り大きく突出しない程度の長さに露出突出さ
    せ、Nbフィラメントを突出させた傾斜面の間にNb、Sn、
    Cuそれぞれの粉末の混合物を充填すると共にその外周に
    Nbスリーブを着合させ、そのようにして形成した接続部
    をSn粉末の溶融温度よりも高い温度に加熱してSn粉末が
    溶融した状態下で接続部を外部より圧縮一体化し、その
    後接続部並びに超電導線全体をNb3Snの生成温度におい
    て加熱し、超電導線内のNbフィラメントの界面および接
    続部にNb3Snの連続した化合物を生成させる化合物系超
    電導線の接続方法。
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