JP2004111237A

JP2004111237A - ＭｇＢ２超伝導線材とその製造方法

Info

Publication number: JP2004111237A
Application number: JP2002272878A
Authority: JP
Inventors: Akiyoshi Matsumoto; 松本　明善; Hiroaki Kumakura; 熊倉　浩明; Hitoshi Kitaguchi; 北口　仁; Kazumasa Togano; 戸叶　一正; Zaiyu Ko; 高　在雄; Hideo Hatakeyama; 畠山　秀夫
Original assignee: National Institute for Materials Science
Current assignee: National Institute for Materials Science
Priority date: 2002-09-19
Filing date: 2002-09-19
Publication date: 2004-04-08
Anticipated expiration: 2022-09-19
Also published as: JP3716307B2

Abstract

【課題】臨界電流密度（Ｊｃ）の高いＭｇＢ_２超伝導線材を得る。
【解決手段】ＭｇＢ_２超伝導粉末が金属管内に充填され、圧延加工されて作製されたＭｇＢ_２超伝導線材において、金属管にＭｇＢ_２超伝導粉末とともに金属粉末を添加、混合して充填することにより、添加金属が、圧延加工時の金属管からＭｇＢ_２超電導粉末に加わる圧縮力を吸収し、金属管とＭｇＢ_２超電導粉末との界面が平滑となり、Ｊｃが上昇する。
【選択図】　　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、ＭｇＢ_２超伝導線材とその製造方法に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、臨界電流密度（Ｊｃ）の高いＭｇＢ_２超伝導線材とその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術とその課題】
従来、ＭｇＢ_２超伝導線材は、シース材である金属管内にＭｇＢ_２超伝導粉末を充填し、圧延加工することにより得られている。このＭｇＢ_２超伝導線材の臨界電流密度（Ｊｃ）は４．２Ｋ、１０Ｔの磁場中で高々１００Ａ／ｃｍ^２程度に過ぎない（たとえば、非特許文献１参照）。
【０００３】
この出願の発明は、臨界電流密度（Ｊｃ）の高いＭｇＢ_２超伝導線材とこれを製造可能とする製造方法を提供することを解決すべき課題としている。
【０００４】
【非特許文献１】
熊倉、他３名（ＫＵＭＡＫＵＲＡ　Ｈ．，　ＭＡＴＳＵＭＯＴＯ　Ａ．，　ＦＵＪＩＩ　Ｈ．，　ＴＯＧＡＮＯ　Ｋ．），「ステンレス鋼管と銅−ニッケル管を用いたパウダー・イン・プロセスによるＭｇＢ_２テープ及び線材の高臨界電流密度（Ｈｉｇｈ　ｔｒａｎｓｐｏｒｔ　ｃｒｉｔｉｃａｌ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｄｅｎｓｉｔｙ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　ｆｏｒ　ｐｏｗｄｅｒ−ｉｎ−ｔｕｂｅ−ｐｒｏｃｅｓｓｅｄ　ＭｇＢ_２　ｔａｐｅｓ　ａｎｄ　ｗｉｒｅｓ　ｕｓｉｎｇ　ｓｔａｉｎｌｅｓｓ　ｓｔｅｅｌ　ａｎｄ　Ｃｕ−Ｎｉ　ｔｕｂｅｓ）」，アプライド・フィジックス・レターズ（Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ），（米国），第７９巻，第１５号，２００１年１０月８日，ｐ．２４３５−２４３７
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前述のＭｇＢ_２超伝導線材の臨界電流密度（Ｊｃ）の原因を検討したところ、圧延加工時にＭｇＢ_２超伝導粉末が硬化し、金属管との界面が凹凸となり、平滑性が失われているのがその原因ではないかと考えられた。
【０００６】
そこでこの出願の発明の発明者らは、圧延加工時にシース材である金属管からＭｇＢ_２超伝導粉末に加わる圧縮力を緩和させ、ＭｇＢ_２超伝導粉末が硬化するのを抑制し、金属管とＭｇＢ_２超伝導粉末との界面を平滑に保つための方策を鋭意検討した。その結果、金属管にＭｇＢ_２超伝導粉末だけでなく、金属粉末を添加、混合して充填することにより、添加金属が、圧延加工時の金属管からＭｇＢ_２超伝導粉末に加わる圧縮力を吸収し、金属管とＭｇＢ_２超伝導粉末との界面が平滑となり、Ｊｃが上昇することを見出し、この出願の発明を完成した。
【０００７】
すなわち、この出願の発明は、ＭｇＢ_２超伝導粉末が金属管内に充填され、圧延加工されて作製されたＭｇＢ_２超伝導線材において、ＭｇＢ_２超伝導粉末とともに金属粉末が添加、混合され、圧延加工後の金属管とＭｇＢ_２との界面が平滑であることを特徴とするＭｇＢ_２超伝導線材（請求項１）を提供する。
【０００８】
またこの出願の発明は、請求項１に係る発明に関し、金属粉末は、ブリネル硬さが１５以上９０以下の金属の粉末であること（請求項２）、金属粉末は、銅、アルミニウム、インジウム又はこれらの混合物の粉末であること（請求項３）を一態様として提供する。
【０００９】
さらにこの出願の発明は、ＭｇＢ_２超伝導粉末と金属粉末とを混合し、その混合粉末を金属管内に充填し、圧延加工してＭｇＢ_２超伝導線材を作製することを特徴とするＭｇＢ_２超伝導線材の製造方法（請求項４）を提供する。
【００１０】
そしてこの出願の発明は、請求項４に係る発明に関し、金属粉末は、ブリネル硬さが１５以上９０以下の金属の粉末であること（請求項５）、金属粉末は、銅、アルミニウム、インジウム又はこれらの混合物の粉末であること（請求項６）、圧延加工後、熱処理を行うこと（請求項７）をそれぞれ一態様として提供する。
【００１１】
以下、実施例を示しつつ、この出願の発明のＭｇＢ_２超伝導線材とその製造方法についてさらに詳しく説明する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
この出願の発明のＭｇＢ_２超伝導線材は、前記のとおり、金属管内に充填するＭｇＢ_２超伝導粉末に金属粉末が添加、混合され、圧延加工されて作製された線材であり、この線材において金属管とＭｇＢ_２との界面は平滑となっている。このようなＭｇＢ_２超伝導線材を製造する際には、ＭｇＢ_２超伝導粉末と金属粉末とを混合し、その混合粉末を金属管内に充填し、圧延加工する。前述のとおり、金属粉末を添加、混合せず、ＭｇＢ_２超伝導粉末のみを金属管に充填して圧延加工を行うと、ＭｇＢ_２超伝導粉末は硬化して金属管とＭｇＢ_２超伝導粉末との界面は凹凸になり、１００Ａ／ｃｍ^２程度のＪｃしか得られない。しかしながら、この出願の発明のＭｇＢ_２超伝導線材では、金属管とＭｇＢ_２超伝導粉末との界面は平滑であり、Ｊｃは高まる。
【００１３】
ＭｇＢ_２超伝導粉末に添加、混合する金属粉末は、ブリネル硬さが１５以上９０以下の金属の粉末であることが好ましい。ブリネル硬さが１５未満の軟らかい金属の粉末ではＭｇＢ_２超伝導粉末の滑り加工に対する効果が得られない。ＭｇＢ_２超伝導粉末は、金属管に充填後の加工により充填密度が上がり、大きな塊へと凝集しやすい。一旦固まった塊は加工時に塊として動くことになるため、ひび割れ、金属管との界面の破損などが生じる。金属粉末は、このようなＭｇＢ_２超伝導粉末の大きな塊への凝集を防ぐとともに、万一塊が生じた場合、その塊を滑らせる（加工滑り）のための潤滑剤的な役割を果たすものと考えられる。したがって、ブリネル硬さが１５未満の軟らかい金属粉末では、粒界などに分散し、加工時のエネルギーを吸収することができないため、加工滑りに寄与することができない。ブリネル硬さが９０を超える硬すぎる金属の粉末は、展伸されにくいため、金属管とＭｇＢ_２超伝導粉末との界面は平滑とならない。その結果、高いＪｃは得にくくなる。このような金属粉末としては、銅、アルミニウム、インジウム又はこれらの混合物の粉末が好ましく例示される。より高いＪｃを得るためには、後述する実施例に示すように、銅、アルミニウム又はこれらの混合物が金属粉末として好ましい。
【００１４】
以上のＭｇＢ_２超伝導粉末に添加、混合する金属粉末の添加量は５−３０ｖｏｌ％が好ましく例示される。これは、界面の平滑性を得るために前述の加工滑りを起こさせることに基づく。５ｖｏｌ％未満では界面の平滑性は次第に得にくくなる。一方、３０ｖｏｌ％を超えると、ＭｇＢ_２超伝導粉末に対する比率が多くなりすぎ、その結果、たとえ界面の平滑性は得られたとしても超伝導電流が流れにくくなり、その結果、臨界電流密度（Ｊｃ）　が低下するおそれがある。
【００１５】
この出願の発明のＭｇＢ_２超伝導線材の製造方法では、圧延加工後、熱処理を行うことができる。この圧延加工後の熱処理によりＪｃはより一層高くなる。熱処理条件はＭｇＢ_２超伝導線材の超伝導特性を劣化させない限りにおいて特に制限はなく、たとえば３００℃で１時間を例示することができる。
【００１６】
【実施例】
ＭｇＢ_２超伝導粉末は市販のものを使用した。このＭｇＢ_２超伝導粉末にアルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、インジウム（Ｉｎ）の粉末をそれぞれ１０ｖｏｌ％添加し、混合粉末を作製した。各混合粉末をステンレス（ＳＵＳ３１６）製で内径４ｍｍφ、外径８ｍｍφの金属管の内部に充填し、金属管の両端を混合粉末が出ないように圧着した。この混合粉末を充填した金属管を溝ロール圧延機により２ｍｍ×２ｍｍ角の角材に加工した。さらに、この角材を平ロール圧延機により厚さ０．５ｍｍのテープ状の線材にまで加工した。この線材を適当な長さに切断し、アルゴンガスを流通させた管状型の電気炉内で熱処理した。この熱処理は、試料の隣に熱電対を設置し、温度を計測しながら行い、３００℃で１時間とした。
【００１７】
以上のようにした作製した線材、非熱処理のもの、熱処理済みのものそれぞれを四端子抵抗法により４．２Ｋ、８Ｔの磁界下で臨界電流密度（Ｊｃ）を測定した。
【００１８】
図１は、それら線材のＪｃを添加、混合した金属種との関係でプロットした相関図である。この相関図には従来のＭｇＢ_２超伝導線材のＪｃも合わせて示している。
【００１９】
非熱処理の線材では、Ａｌを添加、混合したＭｇＢ_２超伝導線材が最大のＪｃを示し、４００Ａ／ｃｍ^２となった。従来のＭｇＢ_２超伝導線材のＪｃは２００Ａ／ｃｍ^２程度であった。
【００２０】
また、従来のＭｇＢ_２超伝導線材以外は、熱処理によりＪｃが大幅に上昇した。特に熱処理後のＣｕ添加線材では、無添加線材に比べ３倍程度も高いＪｃとなった。
【００２１】
Ｃｕ添加線材の熱処理前後のものと従来のＭｇＢ_２超伝導線材（同じく熱処理前後のもの）についてその断面を光学顕微鏡により観察した。その断面像を示したのが図２である。
【００２２】
図２に確認されるように、従来のＭｇＢ_２超伝導線材では、金属管とＭｇＢ_２超伝導粉末との界面に大きな凹凸が発生していた。Ｃｕ添加線材の熱処理前後のものでは界面は平滑であった。従来のＭｇＢ_２超伝導線材では、圧延加工時に加わる圧縮力によりＭｇＢ_２超伝導粉末が硬化し、硬化したＭｇＢ_２超伝導粉末が塊となり、圧延加工により金属管の内面を傷つけ、凹凸のある界面になったと考えられる。一方、Ｃｕ添加線材は、圧延加工時に加わる圧縮力を軟らかいＣｕ粉末が吸収し、ＭｇＢ_２超伝導粉末の硬化を抑え、また、硬化してもＭｇＢ_２超伝導粉末を滑りやすくして強加工によっても金属管の内面が傷つけられず、界面は平滑性を保ったと考えられる。
【００２３】
もちろん、この出願の発明は、以上の実施形態及び実施例によって限定されるものではない。ＭｇＢ_２超伝導粉末に添加、混合する金属粉末の種類、添加量、さらに圧延加工後の熱処理条件などの細部については様々な態様が可能であることはいうまでもない。
【００２４】
【発明の効果】
以上詳しく説明した通り、この出願の発明によって、臨界電流密度（Ｊｃ）の高いＭｇＢ_２超伝導線材が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例で作製した線材及び従来のＭｇＢ_２超伝導線材のＪｃを添加、混合した金属種との関係でプロットした相関図である。
【図２】実施例で作製したＣｕ添加線材の熱処理前後のものと従来のＭｇＢ_２超伝導線材（同じく熱処理前後のもの）についてその断面を光学顕微鏡により観察した断面像である。

Claims

ＭｇＢ_２超伝導粉末が金属管内に充填され、圧延加工されて作製されたＭｇＢ_２超伝導線材において、ＭｇＢ_２超伝導粉末とともに金属粉末が添加、混合され、圧延加工後の金属管とＭｇＢ_２との界面が平滑であることを特徴とするＭｇＢ_２超伝導線材。
金属粉末は、ブリネル硬さが１５以上９０以下の金属の粉末である請求項１記載のＭｇＢ_２超伝導線材。
金属粉末は、銅、アルミニウム、インジウム又はこれらの混合物の粉末である請求項２記載のＭｇＢ_２超伝導線材。
ＭｇＢ_２超伝導粉末と金属粉末とを混合し、その混合粉末を金属管内に充填し、圧延加工してＭｇＢ_２超伝導線材を作製することを特徴とするＭｇＢ_２超伝導線材の製造方法。
金属粉末は、ブリネル硬さが１５以上９０以下の金属の粉末である請求項４記載のＭｇＢ_２超伝導線材の製造方法。
金属粉末は、銅、アルミニウム、インジウム又はこれらの混合物の粉末である請求項５記載のＭｇＢ_２超伝導線材の製造方法。
圧延加工後、熱処理を行う請求項４、５又は６記載のＭｇＢ_２超伝導線材の製造方法。