JP3510351B2 - A3 b型化合物超電導線の製造方法 - Google Patents

A3 b型化合物超電導線の製造方法

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秀樹 伊井
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Description

【発明の詳細な説明】 【0001】 【産業上の利用分野】本発明はNb3 Sn超電導線やN
3 Al超電導線等のA金属をNbとするA 3 B型化合
物超電導線の製造方法に関する。 【0002】 【従来の技術】従来、Nb3 Sn、Nb3 Al等のA3
B型化合物超電導体は金属間化合物であり加工が極めて
困難であるため、超電導線を製造するには、上記A3
型化合物超電導体を構成する金属Aと金属Bとからなる
複合ビレットに延伸加工を施して複合線材とし、次い
で、前記金属Aの内部に前記金属Bを拡散、反応させる
熱処理により上記A3 B型化合物超電導体を反応生成さ
せる製造方法が採用されている。なおA3 B型化合物超
電導体はA15型化合物超電導体とも称される。 【0003】Nb3 Sn超電導線を例に代表的な製造方
法であるブロンズ法について説明する。まずマトリック
スとしてCu−Sn合金(以下ブロンズと称する)製の
棒に穴をあけ、その中にNb芯材を挿入して1次複合ビ
レットを形成し、次いで延伸加工を施し素線とする。こ
の素線をブロンズ管の中に充填して2次複合ビレットを
形成し、次いで延伸加工を施し複合線材とする。なおこ
の複合線材を素線とし、更に高次の複合ビレットを形成
することもある。 【0004】この複合線材は、マトリックス金属中にN
bフィラメントが埋め込まれた構造になっており、この
複合線材に550℃〜750℃程度に加熱する熱処理を
施せばブロンズ中のSnがNbフィラメントの内部に拡
散、反応し、Nb3 Snが生成する。こうしてNbフィ
ラメントが超電導フィラメントであるNb3 Snフィラ
メントになり、多芯超電導線が得られる。また前記複合
線材の外周にSnを被覆してから、拡散熱処理を施す方
法(外部拡散法と呼ばれる)もある。 【0005】またブロンズは加工性が悪いので、Cu、
Sn、Nb等の単体を用いて複合ビレットを組み立て、
これを延伸加工後、熱処理を施す製造方法も採用され
る。特にNb3 Al超電導線は、Nbシート、Alシー
ト、Cuシート等を巻き重ねることで複合ビレットを組
み立て、この複合ビレットに、上記同様、延伸加工、熱
処理等を施して製造する方法が取られる場合が多い。こ
の方法はジェリーロール法として知られている。 【0006】近年は超電導線の安定性の向上や、交流用
途にあっては交流損失の低減を図るため、超電導線中の
超電導体を極細化、極薄化させる傾向にある。また化合
物超電導線の場合、A金属部を極細化、薄肉化すれば、
B金属の拡散経路が短くなりA3 B型超電導体の反応生
成が促進される意味もある。 【0007】例えばNb3 Sn超電導線の場合、近年は
超電導フィラメント(熱処理前にあってはNbフィラメ
ント)を数μm程度、ときには1μm以下まで加工する
場合も多い。このような極細化した超電導線を製造する
場合は、複合ビレットの組立に用いるNb材としては、
傷や異物がなるべく含まれず、また不純物の混入が少な
い加工性に優れる素材を用いることが求められていた。
但しNbと置換型全率固溶するTaはNb原料中に当初
より含有されている場合が多く、他の不純物に比べ多く
含まれている場合が多い。またTaは臨界磁場その他の
要求仕様によっては、意図的に添加する場合もある。意
図的に添加する元素としては、Taの他Ti、Zr、H
f等がある。 【0008】このように高純度が要求される超電導線用
のNb材の製造には、通常、電子ビーム溶解、アーク溶
解等の真空溶解法が適用される。こうして不可避的な不
純物であるO、N、H、C等が各々0.001wt%以
下までに低減させた高純度Nb材を用意するのである。
近年はこのような高純度なNb材が使用されることも多
い。 【0009】 【発明が解決しようとする課題】従来は、上述のように
複合ビレットの組立に供されるNb材の純度を高めるこ
とが、Nb材の加工性を高め、Nbフィラメントの断線
等を抑制して優れた特性を実現する手法の一つとして検
討、研究されていた。しかしながらこのようにNb材の
純度を高めても必ずしも製造された化合物超電導線の特
性が向上しない場合も多かった。 【0010】 【課題を解決するための手段】本発明はかかる状況に鑑
み、鋭意研究を行った結果なされたもので、その目的
は、優れた特性を実現するA3 B型化合物超電導線の製
造方法を提供することにある。 【0011】即ち本発明は、A金属をNbとするA3
型化合物超電導線の製造方法であって、上記A金属がO
含有量0.002〜0.02wt%、N含有量0.00
2〜0.02wt%であるNbであり、A金属部と、B
金属を含むマトリックス部とからなる複合ビレットに延
伸加工を施して複合線材を製造し、前記複合線材に熱処
理を施すA3 B型化合物超電導線の製造方法である。 【0012】 【作用】本発明者らは、高い純度を有するNb材を選
び、所定の方法によってNb3 Sn超電導線およびNb
3 Al超電導線を種々の条件で製造し、その特性を詳細
に調べた結果、上述したように、Nb材中に含まれる
O、N、H、C等の不純物を低くしても、必ずしも製造
された化合物超電導線の特性が向上しない事実を突き止
めるに至ったのである。そこで本発明において、O含有
量0.002〜0.02wt%、N含有量0.002〜
0.02wt%であるNbを用いる理由を以下に説明す
る。 【0013】これらO、N、H、C等は単純に不純物と
してNb材中に存在するだけでなく、詳細な解明には至
っていないが、化合物超電導線の製造に際し、何らかの
作用を及ぼすことを本発明者らは見いだした。そして特
にOとNに関しては、逆にある程度の量をNb材中に含
ませた方が、優れた特性を実現するA3 B型化合物超電
導線が得られることを知見するに至ったのである。 【0014】Nb材のOとNの含有量をそれぞれ0.0
2wt%以下に限定するのは、0.02wt%を越える
と、Nb材の加工性が悪くなり、複合ビレットに延伸加
工を施す際、これらNb材が部分的に断線しやすくなる
からである。一方、OとNの含有量をそれぞれ0.00
2wt%以上に限定するのは、優れた超電導特性を実現
させるためであるが、そのメカニズムは以下のように推
定できる。即ちO、Nが0.002wt%未満の含有で
は、Nb材の加工性自体は優れるものの、マトリックス
部との加工性の整合が悪く、Nb材の断面形状(超電導
線の横断面における形状)が不規則に歪んでしまう。ま
たNb材の長手方向におけるその断面積の不均一性が大
きくなり、ときにはNb材の断線にも至ることもある。
このような理由により特性が劣化するに至るものと推定
される。またO、Nが0.002wt%未満しか含有し
ていないと、熱処理後のA3 B型超電導体の結晶粒径が
大きくなって、これも特性劣化の一因となると推定でき
る。以上よりOとNの含有量はそれぞれ0.002〜
0.02wt%が望ましいのである。 【0015】また通常、Nb材に含まれる不純物とし
て、上述のOやNの他に、C、H等もある。CやHの影
響については解明するに至っていないが、本発明の構成
による効果を低減させないために、CやHは各々0.0
02wt%以下であることが望ましい。 【0016】またTa、Ti、Zr、Hf等は要求され
る仕様によっては意図的に添加することもある元素であ
るが、これらが含まれる場合でも、OやNの含有量を上
述のように制限すると優れた特性が得られることは同様
である。但しTaが含まれる場合は、Ta量0.05w
t%以上0.3wt%以下、更にはTa量0.1wt%
以上0.2wt%以下の場合において特に本発明の効果
が顕著である。特に10〜16Tの高い磁界下で使用さ
れる化合物超電導線としては、Taを0.1〜0.2w
t%含有させることが望ましく、この場合特にOを0.
008〜0.015wt%、Nを0.004〜0.01
wt%にすると効果的である。 【0017】 【実施例】次に本発明の実施例を図1を参照しながら説
明する。外径45.3mmで径5.7mmの穴を19箇
所設けたブロンズ管2(Cu−9wt%Sn−0.2w
t%Ti)を用意し、これらの穴に、外径5.5mmの
Nb材1(組成を表1に記す)を挿入した後、真空封入
して1次複合ビレット3を組み立てた。この1次複合ビ
レットに670℃で熱間押出を施した後、焼鈍、伸線加
工等の延伸加工を施して対辺距離1.14mmの6角素
線を製造した。次にこの6角素線を外径45.5mm、
内径29.0mmの無酸素銅管に約500本充填して2
次複合ビレットを組み立てた。前記無酸素銅管内壁には
拡散バリアとして0.5mm厚のTa箔を配置した。 【0018】上記2次複合ビレットに650℃で熱間押
出を施した後、焼鈍、伸線加工等の延伸加工を施して
0.8mmの複合線材を製造した。次にこの複合線材に
650℃×10日間の熱処理を施して、Nb材1が極細
化されてなるNbフィラメントとSnとを拡散反応させ
て、Nb3 Sn超電導線を製造した。 【0019】さて上述のようにして製造したNb3 Sn
超電導線の臨界電流密度を測定し、その結果を表2に記
しておく。また断面を顕微鏡で観察することで、超電導
フィラメントの断面形状を評価した。その評価は5段階
とし、歪みが殆ど認められないものは◎、歪みが少ない
ものは○、歪みが多少認められるものは△、歪みが多く
認められるものは×とした。また同一の超電導線の断面
を数カ所観察し、超電導フィラメントの断面積の長手方
向におけるバラツキ状況も調査した。この評価も5段階
とし、極めて良好なものは◎、良好なものは○、概ね良
好なものは△、バラツキが目立つものは×とした。以上
の評価結果も表2に記しておく。 【0020】 【表1】【0021】 【表2】【0022】表1、2から判るように、本発明例はフィ
ラメント形状が概ね良好で臨界電流密度も高いものにな
った。一方比較例は本発明例に比べ臨界電流密度が低い
ものになったが、これはフィラメント形状の歪みか、そ
の断面積のバラツキの影響によるのであると考えられ
る。本発明例No1はフィラメント形状の歪みこそ多少
認められたものの、フィラメントの断面積のバラツキ状
況は極めて良好であるため、高い臨界電流密度が実現し
たものと考えられる。 【0023】 【発明の効果】以上詳述したように、本発明のA3 B型
化合物超電導線の製造方法は、フィラメント形状が良好
で、その断面積の長手方向のバラツキも少なく、高い臨
界電流密度が得られる等、優れた特性を実現させること
ができるものである。このように本発明のA3 B型化合
物超電導線の製造方法は、超電導線の高特性化を実現す
るもので、その工業上の貢献は著しいものである。
【図面の簡単な説明】 【図1】本発明の実施例の1次複合ビレットを示す説明
図である。 【符号の説明】 1 Nb材 2 ブロンズ管 3 1次複合ビレット
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01B 12/00 - 13/00

Claims (1)

  1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項1】 A金属をNbとするA3 B型化合物超電
    導線の製造方法であって、 A金属がO含有量0.002〜0.02wt%、N含有
    量0.002〜0.02wt%であるNbであり、 A金属部と、B金属を含むマトリックス部とからなる複
    合ビレットに延伸加工を施して複合線材を製造し、前記
    複合線材に熱処理を施すことを特徴とするA3B型化合
    物超電導線の製造方法。
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EP1746667B1 (en) * 2005-07-19 2008-02-27 Bruker BioSpin AG Superconductive elements containing Nb3Sn filaments with copper inclusions, and a composite and a method for their production
JP5069948B2 (ja) * 2007-05-22 2012-11-07 株式会社神戸製鋼所 超電導線材製造用NbまたはNb基合金シートおよび超電導線材製造用前駆体
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