JP2001076560A - 超電導線材の製造方法およびその超電導線材製造用材料 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】良好な超電導特性、安定化銅の複合化、長尺線
への適用容易という３つの条件を同時に満たす 【解決手段】Ａ１５型化合物を構成する２元素以上を含
む固溶体を第１の金属管に内包させる工程、前記Ａ１５
型化合物の固溶体を内包した第１の金属管を第２の金属
管に組込む工程、前記第１の金属管を組込んだ第２の金
属管を縮径加工する工程、前記縮径加工した第２の金属
管を熱処理する工程、によって超電導線材を製造する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超電導線材の製造
方法、特にＡ１５型化合物を用いた超電導線材の製造方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】Ｎｂ３Ａｌ等のＡ１５型化合物を用いた
超電導線材の製造方法として、ジェリー・ロール法、ニ
オブ・チューブ法、急速急冷法等が従来から知られてい
る。

【０００３】ジュリー・ロール法は例えばＮｂシートと
Ａｌシートを重ね合わせた後、これを海苔巻き状に巻い
たものを１つの単芯体として、この単芯体を複数本束ね
て縮径加工し、これを７００〜９００℃で熱処理するこ
とにより、Ｎｂ３ＡｌのＡ１５相を生成する方法であ
る。ニオブ・チューブ法は例えばＮｂチューブの中にＡ
ｌ合金の芯線を入れ、これを複数本束ねて縮径加工し、
これを３回繰り返して線材を作成した後、７００〜９０
０℃で熱処理をしてＮｂ３Ａｌ相を生成する方法であ
る。

【０００４】ジュリー・ロール法及びニオブ・チューブ
法では何れもＮｂとＡｌの部材を非常に薄く或いは細く
して拡散距離を短くすることによって、７００〜９００
℃と比較的低温の熱処理条件で元のＮｂとＡｌの部材全
体に渡ってＮｂ３Ａｌ相を生成することができる。熱処
理温度が９００℃以下であるため、安定化銅を複合した
超電導線を作成でき、しかも工程が比較的簡単で長尺線
への適用も可能である点にこれらの方法の利点がある。

【０００５】急速急冷法は縮径加工する工程まではジュ
リー・ロール法又はニオブ・チューブ法と同様である。
縮径加工した線材に通電又はレーザ、電子ビーム等の照
射を行うことにより通電部或いは照射部を２０００℃に
急速に加熱し、その後に急冷することでＮｂ−Ａｌ固溶
体相を生成させ、次に７００〜９００℃で熱処理するこ
とで固溶体相をＮｂ３Ａｌ相に相変化させる。この方法
はＮｂ：Ａｌ＝３：１の化学量論組成に近いＮｂ３Ａｌ
相が形成されるため、臨界温度（Ｔｃ）、臨界磁界（Ｈ
ｃ２）、臨界電流密度（Ｊｃ）の高い良好な超電導特性
が得られる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来のジュリ
ー・ロール法又はニオブ・チューブ法では熱処理温度の
関係で化学量論組成から外れたＮｂ３Ａｌ相が生成され
るために、臨界温度（Ｔｃ）、臨界磁界（Ｈｃ２）、臨
界電流密度（Ｊｃ）の値がＮｂ：Ａｌ＝３：１の理想的
な化学量論組成のＮｂ３Ａｌに比べて５０〜７０％程度
劣っている。

【０００７】一方、急熱急冷法は、２０００℃付近での
高温熱処理を行うため銅等の安定化材料を複合化でき
ず、加えて長尺線への適用が困難であった。

【０００８】即ち、従来の超電導線の製造方法において
は良好な超電導特性、安定化材料の複合化、長尺線への
適用容易という３つの条件全てを同時に満たすことがで
きないという問題があった。

【０００９】本発明はこのような課題を解決するために
なされたもので、良好な超電導特性、安定化材料の複合
化、長尺線への適用容易という３つの条件全てを同時に
満たすことのできる超電導線の製造方法を提供すること
を目的としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明に係る第１の超電導線材の製造方法では、Ａ
１５型化合物を構成する２元素以上を含む固溶体を第１
の金属管に内包させる工程と、第１の金属管を第２の金
属管に組込む工程と、第１の金属管を組込んだ第２の金
属管を縮径加工する工程と、縮径加工した第２の金属管
を熱処理する工程とを具備することを特徴とする。

【００１１】また、本発明に係る第２の超電導線材の製
造方法では、Ａ１５型化合物を構成する２元素以上を含
む固溶体を第１の金属管に内包する工程と、第１の金属
管を第３の金属管により被覆する工程と、第１の金属管
を被覆した第３の金属管を第２の金属管に組込む工程
と、第３の金属管を組込んだ第２の金属管を縮径加工す
る工程と、縮径加工した第２の金属管を熱処理する工程
とを具備することを特徴とする。

【００１２】これら第１、第２の超電導線材の製造方法
において、Ａ１５型化合物はＮｂ３Ａｌ、Ｎｂ３Ｓｎ、
Ｎｂ３（Ａｌ、Ｇｅ）の何れかであっても良い。

【００１３】また、第１の金属管の材質がＴａ、Ｔａ合
金、Ｎｂ、Ｎｂ合金の何れかであっても良く、第２又は
第３の金属管の材質が銅、銅合金、銀、銀合金の何れか
であっても良い。

【００１４】さらに、Ａ１５型化合物を構成する２元素
以上を含む固溶体が１０原子％以上４０原子％以下のＡ
ｌを含んでいても良い。

【００１５】加えて、熱処理が７００℃以上９００℃以
下の温度範囲であっても良く、熱処理が１時間以上１０
０時間以下の範囲で行われても良い。

【００１６】本発明に係る第１の超電導線材製造用材料
はＡ１５型化合物を構成する２元素以上を含む固溶体を
内包した第１の金属管と、第１の金属管を組み込んだ第
２の金属管とを具備したことを特徴とする。

【００１７】また、本発明に係る第２の超電導線材製造
用材料はＡ１５型化合物を構成する２元素以上を含む固
溶体を内包した第１の金属管と、第１の金属管を被覆す
る第３の金属管と、第３の金属管を組み込んだ第２の金
属管と、を具備したことを特徴とする。

【００１８】

【発明の実施の形態】本発明の第１の実施形態を図面を
参照して説明する。本発明の第１の実施形態において、
超電導線材は以下の工程によって製造される。

【００１９】（１）Ｎｂ−Ａｌ固溶体１を第１の金属管
２に内包させる（図１）。

【００２０】（２）Ｎｂ−Ａｌ固溶体１が内包された第
１の金属管２を第２の金属管３に組込む（図２）。

【００２１】（３）第１の金属管２を組込んだ第２の金
属管３を縮径加工する（図３）。

【００２２】（４）縮径加工した第２の金属管３を熱処
理する。

【００２３】工程（１）が終了した状態を図１の断面図
に示す。Ｎｂ−Ａｌの固溶体１が第１の金属管２に内包
されている。また、工程（２）が終了した状態を図２の
断面図に示す。Ｎｂ−Ａｌ固溶体１が第１の金属管２に
内包され、さらに第１の金属管２が第２の金属管３に組
み込まれている。さらに、工程（３）が終了した状態を
図３の断面図に示す。一体化した第１の金属管４がバリ
ア層となって固溶体１を覆い、更に第２の金属管３によ
って覆われている。

【００２４】工程（１）で使用するＮｂ−Ａｌの固溶体
１は、例えばＮｂとＡｌを複合してこれを例えば２００
０℃程度の高温にしてその後急冷することによって作成
できる。ＮｂとＡｌを高温に加熱するとＮｂとＡｌの原
子は均一に入り交じった状態となる。そして、この均一
に入り交じった状態のＮｂとＡｌを急冷して固化するこ
とで、ＮｂとＡｌの原子が均一に入り交じった状態が保
持された固溶体１が形成される。

【００２５】ここで、ＮｂとＡｌを複合するのは、Ｎｂ
とＡｌが均一に入り交じった状態への移行を速やかに行
うためである。ＮｂとＡｌの複合化は例えばＮｂシート
とＡｌシートを重ねてロール状に巻くことで行うことが
できる。

【００２６】このときのＮｂとＡｌの比率は、その後の
熱処理によって形成されるＮｂ３Ａｌ相の化学量論から
するとＡｌが２５原子％であることが好ましいが、１０
〜４０原子％の範囲であれば実用上差し支えない。

【００２７】第１の金属管２への内包は、Ｎｂ−Ａｌ固
溶体１を例えば線状、棒状にしておいて金属管に挿入す
ることによって容易に行える。しかし、Ｎｂ−Ａｌ固溶
体１の形状はこれに限ることはなく粉末状、粒状等種々
の形状であって差し支えない。要するに第１の金属管２
の内部に何らかの方法で充填しうるものであればよい。
また、内包とは固溶体１が結果的に金属管中に内包され
た状態になれば良いのであって、例えば固溶体１の線材
に物理的、化学的手段により金属を堆積することによっ
て行っても差し支えない。

【００２８】第１の金属管２は、熱処理においてＮｂと
Ａｌの組成比の変化や他元素の混入の原因となる拡散を
防止するバリアの役割を果たすものであり、材料として
ＴａやＮｂを使うことができる。

【００２９】工程（２）の組込みは固溶体１を内包した
第１の金属管２を複数本束ねて第２の金属管３に挿入す
ることによって行える。第２の金属管３は第１の金属管
２を縮径加工する際の加工性の向上を図るためのもので
あるとともに、超電導線材の超電導状態を安定化する安
定化材料としての役割を果たすものであって、通常Ｃｕ
或いはＡｇ又はそれら何れかを主成分とする合金が使用
される。

【００３０】工程（３）の縮径加工は例えば押し出し或
いは引き抜き等の伸線処理によって行える。Ｎｂ−Ａｌ
の固溶体１は塑性加工が可能な材料であり、この縮径加
工に十分耐えられる。この縮径加工によってＮｂ−Ａｌ
の固溶体１が細線化されたフィラメントの状態になり、
多数のフィラメントを高密度に集積した多芯線の作成が
可能となる。

【００３１】縮径加工によって、第１の金属管２、及び
第２の金属管３はＮｂ−Ａｌの固溶体１と一体に引き延
ばされた状態となり、第１の金属管２は固溶体１のフィ
ラメントを覆うバリア層、第２の金属管３はこのバリア
層を更に覆う安定化材料となる。

【００３２】縮径加工を工程（１）と工程（２）の間に
付加し、固溶体１を内包した第１の金属管２を個別に或
いは束ねて縮径加工を行っても差し支えない。このよう
にすると、固溶体１のフィラメントをより高密度に集積
することが容易となる。

【００３３】工程（４）での熱処理によってＮｂ−Ａｌ
固溶体１がＡ１５相へ相変化し、超電導線材が形成され
る。この熱処理は材料の酸化防止のために、真空中或い
はアルゴン等の不活性ガス雰囲気中で行われる。そし
て、７００〜９００℃の温度範囲の熱処理によって実用
に耐えうる超電導特性の超電導線材を得ることができ
る。処理時間としては１〜１００時間程度の範囲でよ
い。このうち、８００℃で１０〜３０時間程度の処理条
件のものが良い特性を示す。

【００３４】熱処理の温度範囲が７００〜９００℃であ
るのは超電導化合物であるＡ１５相の生成とともに、生
成されたＡ１５相結晶の粒径を考慮した結果である。即
ち、熱処理温度が７００℃未満ではＡ１５相の生成が十
分なものとならず、一方、熱処理温度が９００℃を越え
るとＡ１５相の生成には問題なくても生成されたＡ１５
相の結晶粒の粗大化を招く。結晶粒が粗大化すると粒界
の影響によって臨界電流密度（Ｊｃ）が低下するので、
結晶粒が微細であることが好ましい。

【００３５】臨界温度（Ｔｃ）を下げるためには、Ａ１
５相の生成がより十分に行われる高温熱処理が望ましい
が、他方では臨界電流密度（Ｊｃ）を大きくするために
は生成された結晶が微細である低温熱処理がむしろ好ま
しい。そこで、臨界温度が実用上問題ない範囲内におい
て大きな臨界電流密度が得られる条件を選択することに
なる。

【００３６】以上のように本発明の第１の実施形態にお
いて、簡単な工程で安定化材料を複合し、かつ良好な超
電導特性を有する超電導線材が得られる。この工程は長
尺線に適用容易である。

【００３７】次に本発明の第２の実施形態を説明する。
本発明の第２の実施形態において、超電導線は以下の工
程によって製造される。

【００３８】（１）Ｎｂ−Ａｌ固溶体１を第１の金属管
２に内包させる。

【００３９】（２）Ｎｂ−Ａｌ固溶体１が内包された第
１の金属管２を第３の金属管５によって被覆する。

【００４０】（３）第１の金属管２を被覆した第３の金
属管５を第２の金属管３に組込む（図４）。

【００４１】（４）第３の金属管５を組込んだ第２の金
属管３を縮径加工する（図５）。

【００４２】（５）縮径加工した第３の金属管５を熱処
理する。

【００４３】工程（３）が終了した状態を図４の断面図
に示す。Ｎｂ−Ａｌ固溶体１が第１の金属管２に内包さ
れ、第１の金属管２が第３の金属管５によって被覆さ
れ、さらに第２の金属管３に組み込まれている。また、
工程（４）が終了した状態を図５の断面図に示す。第１
の金属管２がバリア層となって固溶体１を覆い、更に第
３の金属管５と第２の金属管が一体化したもの６によっ
て覆われている。

【００４４】第２の実施形態の第１、第２の金属管は第
１の実施形態の第１、第２の金属管とそれぞれ対応する
役割、材質のものである。

【００４５】即ち、第２の実施形態は第１の金属管２を
第３の金属管４により被覆する工程（２）が追加された
以外は、実質的に第１の実施形態と変わるところがな
い。従って、第１の実施形態と重複する説明は省略す
る。

【００４６】工程（２）における被覆処理は第１の金属
管２と別個に作成した第３の金属管５に第１の金属管２
を挿入しても良いし、あるいは第１の金属管２上に物理
的、化学的手段、例えば電気メッキ等によって金属材料
を堆積することによっても可能である。結果として、第
１の金属管２の外周が第３の金属管５に覆われた状態に
なれば良い。

【００４７】第３の金属管５は第２の金属管３と同様に
第１の金属管２を縮径加工する際の加工性の向上を図る
ためのものであるとともに、超電導線材の超電導状態を
安定化する安定化材料としての役割を果たすものであ
り、通常Ｃｕ或いはＡｇ又はこれら何れかを主成分とす
る合金が使用される。縮径加工によって第３の金属管５
は第２の金属管と一体になり、この全体が超電導状態を
安定化する安定化材料として働くことになる。

【００４８】第３の金属管５を付加したことによって、
製造された超電導線材は個々の超電導体のフィラメント
それぞれが確実に安定化材料で囲まれることになる。そ
の結果、超電導状態をより安定に保持することが可能と
なる。

【００４９】ここで、第３の金属管５は第２の金属管３
と近似した材料であることが好ましい。即ち、第３の金
属管５と第２の金属管３を近似した材料にした場合には
工程（４）の縮径加工によって図４に示されるように第
２、第３の金属管５が境界なく一体となったもの６とな
り、安定化材料として効率よく働く。一方、第２の金属
管３と第３の金属管５を異種の材料で形成した場合は材
質が相違する境目に境界ができる可能性が増大する。境
界があるときには超電導状態が一部で破壊されたとき
に、この境界が電流、熱の流出を阻害して、安定化材料
の機能が低下するおそれがある。

【００５０】第１の実施形態と同様に、縮径加工を工程
（２）と工程（３）の間に追加し、第３の金属管５を個
別に或いは束ねて縮径加工を行っても差し支えない。こ
のようにすると、固溶体１のフィラメントをより高密度
に集積することが容易となる。

【００５１】第２の実施形態においても、第１の実施形
態同様に簡単な工程で安定化材料を複合し、かつ良好な
超電導特性の超電導線材が得られ。この工程は長尺線に
対して容易に適用できる。

【００５２】以上、第１、第２の実施形態においてＡ１
５化合物としてＮｂ３Ａｌを例にとって説明したが、本
発明は他のＡ１５型化合物、例えばＮｂ３Ｓｎ、Ｎｂ３
（Ａｌ、Ｇｅ）にも同様に適用できる。Ａ１５型化合物
は一般に硬くかつ脆いため塑性加工が困難であり線材加
工や縮径加工が容易ではないが、Ａ１５化合物の固溶体
１は塑性加工可能である。しかも、比較的低温の熱処理
によって固溶体相からＡ１５型相へと相変化させられ
る。

【００５３】従って、Ｎｂ３Ａｌ以外の他のＡ１５型化
合物においてもＮｂ３Ａｌとほぼ同様に第１の実施形
態、第２の実施形態が実施可能であり、このときに用い
る第１〜第３の金属管は固溶体にＮｂ３Ａｌを用いた場
合と同様の材料を使用できる。

【００５４】本発明は第１の実施形態では２つの金属管
を第２の実施形態では３つの金属管を使用し、それぞれ
縮径工程を１回行う場合を主として説明している。しか
し、第１、第２の実施形態において説明したように縮径
工程を途中で行っても良いし、また他の金属管への組み
込み工程を付加しても良い。即ち、第１、第２の実施形
態の工程の途中に縮径工程、金属管への組み込み或いは
金属管による被覆の工程を付加することは適宜行えるこ
とであり、そのような工程を付加したものも本件発明に
含まれることは言うまでもない。

【００５５】

【実施例】以下に本発明の第２の実施形態に基づく実施
例を説明する。

【００５６】ＮｂとＡｌの複合体を作成して２０００℃
程度に加熱し、その後急冷してＮｂ―Ａｌ固溶体を作成
した。この固溶体を粒状に成形加工して、Ｔａ管に充填
した。このＴａ管を銅管に挿入して縮径加工を施して単
芯線を作成し、この単身線を２５４本束ねて別の銅管に
挿入してビレットを作成した。このビレットを縮径加工
して安定化銅を複合した多芯線を作成し、この多芯線に
８００℃３０時間の熱処理を加えて超電導線材を作成し
た。

【００５７】この超電導線材を温度４．２Ｋ、磁束密度
１５Ｔにおいて臨界電流密度を測定したところ２０００
Ａ／ｍｍ２の値が得られた。この臨界電流密度は従来の
ジュリー・ロール法に比べて数倍大きな値である。

【００５８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば簡
単な工程で、良好な超電導特性を有し、かつ安定化材料
を複合した超電導線材が得られる。そして、この工程は
長尺線へ適用容易である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る第１の実施形態の工程中におい
て、第１の金属管にＡ１５型化合物を構成する２元素以
上を含む固溶体を内包した状態を表す断面図である。

【図２】本発明に係る第１の実施形態の工程中におい
て、第１の金属管を第２の金属管に組込んだ状態を表す
断面図である。

【図３】本発明に係る第１の実施形態の工程中におい
て、第１の金属管が組み込まれた第２の金属管を縮径し
た状態を表す断面図である。

【図４】本発明に係る第２の実施形態の工程中におい
て、第１の金属管を被覆する第３の金属管を第２の金属
管に組込んだ状態を表す断面図である。

【図５】本発明に係る第２の実施形態の工程中におい
て、第３の金属管が組み込まれた第２の金属管を縮径し
た状態を表す断面図である。

【符号の説明】

１：Ｎｂ−Ａｌ固溶体 ２：第１の金属管 ３：第２の金属管 ４：第１の金属管同士が一体化したもの ５：第３の金属管 ６：第２の金属管と第３の金属管が一体化したもの

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】Ａ１５型化合物を構成する２元素以上を含
   む固溶体を第１の金属管に内包させる工程と、 前記固溶体を内包した第１の金属管を第２の金属管に組
   込む工程と、 前記第１の金属管を組込んだ第２の金属管を縮径加工す
   る工程と、 前記縮径加工した第２の金属管を熱処理する工程と、を
   具備することを特徴とする超電導線材の製造方法。
2. 【請求項２】Ａ１５型化合物を構成する２元素以上を含
   む固溶体を第１の金属管に内包させる工程と、 前記固溶体を内包した第１の金属管を第３の金属管によ
   り被覆する工程と、 前記第１の金属管を被覆する第３の金属管を第２の金属
   管に組込む工程と、 前記第３の金属管を組込んだ第２の金属管を縮径加工す
   る工程と、 前記縮径加工した第２の金属管を熱処理する工程と、を
   具備することを特徴とする超電導線材の製造方法。
3. 【請求項３】前記Ａ１５型化合物がＮｂ３Ａｌ、Ｎｂ３
   Ｓｎ、Ｎｂ３（Ａｌ、Ｇｅ）の何れかであることを特徴
   とする請求項１又は請求項２に記載の超電導線材の製造
   方法。
4. 【請求項４】前記第１の金属管の材質がＴａ、Ｔａ合
   金、Ｎｂ、Ｎｂ合金の何れかであることを特徴とする請
   求項３に記載の超電導線材の製造方法。
5. 【請求項５】前記第２の金属管の材質が銅、銅合金、
   銀、銀合金の何れかであることを特徴とする請求項４に
   記載の超電導線材の製造方法。
6. 【請求項６】前記第３の金属管の材質が銅、銅合金、
   銀、銀合金の何れかであることを特徴とする請求項５に
   記載の電導線材の製造方法。
7. 【請求項７】前記固溶体が１０原子％以上４０原子％以
   下のＡｌを含んでいることを特徴とする請求項６に記載
   の超電導線材の製造方法。
8. 【請求項８】前記熱処理が７００℃以上９００℃以下の
   温度範囲で行われることを特徴とする請求項７に記載の
   超電導線材の製造方法。
9. 【請求項９】前記熱処理が１時間以上１００時間以下の
   範囲で行われることを特徴とする請求項８に記載の超電
   導線材の製造方法。
10. 【請求項１０】Ａ１５型化合物を構成する２元素以上を
    含む固溶体を内包した第１の金属管と、 前記第１の金属管を組み込んだ第２の金属管と、を具備
    したことを特徴とする超電導線材製造用材料。
11. 【請求項１１】Ａ１５型化合物を構成する２元素以上を
    含む固溶体を内包した第１の金属管と、 前記第１の金属管を被覆する第３の金属管と、 前記第３の金属管を組み込んだ第２の金属管と、を具備
    したことを特徴とする超電導線材製造用材料。