JP2004186025A

JP2004186025A - 超電導線材の製造方法

Info

Publication number: JP2004186025A
Application number: JP2002352522A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Kato; 武志加藤; Jun Fujigami; 純藤上
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2002-12-04
Filing date: 2002-12-04
Publication date: 2004-07-02

Abstract

【課題】シース材である金属の結晶成長を抑制することにより優れた超電導特性を有する超電導線材の製造方法を提供する。
【解決手段】本発明の超電導線材の製造方法は、超電導体の原料粉末２を金属３で被覆した形態のクラッド線１ｂを複数本、金属製のパイプ３ｂ内に嵌合させて多芯構造の線材１ｃとした後であって、その多芯構造の線材１ｃに１次圧延を施す前に、熱間等静圧圧縮成形を行うことを特徴とするものである。
【選択図】図１

Description

【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に関するものであり、特に超電導体の原料粉末を金属で被覆した形態の線材から超電導線材を製造する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、超電導線材の製造方法として、超電導体の原材料粉末を金属管に充填した後、伸線加工や圧延加工を金属管に施すことによって得られた線材を熱処理して超電導体の原材料粉末を焼結し、超電導線材を得る方法が知られていた。これと類似の方法は、たとえば特開平６−３４２６０７号公報（特許文献１参照）に開示されている。
【０００３】
この特開平６−３４２６０７号公報に開示された方法は、酸化物超電導材料を主成分とする粉末を熱処理した後に金属シースにて被覆し、伸線加工および圧延加工を施した後、さらに熱処理する酸化物超電導線材の製造方法であって、伸線加工の工程において減圧雰囲気中５５０℃〜７６０℃の温度で熱処理することを特徴とするものである。
【０００４】
【特許文献１】
特開平６−３４２６０７号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記公報に開示された方法では、熱処理温度が高いため、シース材である金属が結晶成長することで金属特性が変わり、その後の加工性に影響を与えるという問題点があった。以下、そのことを説明する。
【０００６】
高温で熱処理すると、シース材を構成する銀の粒成長が起こる。これにより、シース材の金属組織が荒くなり、この金属組織の荒れがシース材の割れやピンホールの起源となる。最近の超電導線材は、臨界電流密度（Ｊｃ）を向上させるために超電導線材の銀比（線材の横断面における超電導体部分の面積に対する銀シース部の面積の比）を小さくしているため、最外層の銀の厚みが薄くなってきている。このため、最近の超電導線材は銀の組織の状態の影響を受けやすくなっており、上記の割れやピンホールが生じやすくなっている。
【０００７】
上記の割れやピンホールが生じると、たとえば以下の問題が生じる。
（１）超電導線材内部の超電導体と外部の焼結補助材とが反応し、臨界温度（Ｔｃ）や臨界電流密度（Ｊｃ）といった超電導特性が劣化する。
【０００８】
（２）強度を確保するための構成要素である最外層の合金材の強度が低下し、超電導線材の機械的強度が低下する。
【０００９】
（３）超電導線材を液体窒素中で使用した場合、液体窒素が超電導線材内部へ侵入するので、その後の超電導線材の昇温時に線材内部の液体窒素が膨張して線材が膨れ、特性が劣化する。
【００１０】
（４）超電導線材表面に、超電導体が析出するために、金属と線材とを半田接続した時の接続抵抗が高くなる（発熱量が増える）。
【００１１】
それゆえ、本発明の目的は、シース材である金属の結晶成長を抑制することにより優れた超電導特性を有する超電導線材の製造方法を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の超電導線材の製造方法は、超電導体の原料粉末を金属で被覆した形態の線材を複数本、金属製のパイプに嵌合させて多芯構造の線材とした後であって、多芯構造の線材に１次圧延を施す前に、その多芯構造の線材に熱間等静圧圧縮成形を行うことを特徴とするものである。
【００１３】
本発明の超電導線材の製造方法によれば、熱間等静圧圧縮成形により線材に外圧を加えているため、超電導体の原料粉末を被覆する金属の粒成長が生じないような低い温度で熱処理を施しても、パイプ内に嵌合させた複数本の線材同士の密着性を高めることができる。また、超電導体の原料粉末よりなるフィラメントの乱れ（ソーセージング、ブリッジング）は圧延加工時に最も顕著に生じるため、この熱間等静圧圧縮成形を圧延加工前に施すことにより効果的にフィラメントの乱れを抑制することができる。また、熱間等静圧圧縮成形時の熱処理温度を低くすることができるため、超電導体の原料粉末を被覆する金属の粒成長が生じない。これにより、超電導体の原料粉末を被覆する金属の組織が荒くなることを防止できるため、この金属組織の荒れにより割れやピンホールが生じることも防止できる。
【００１４】
上記の超電導線材の製造方法において好ましくは、熱間等静圧圧縮成形は、２００℃以上５００℃以下の温度および１００気圧以上２０００気圧以下の圧力の条件下で行われる。
【００１５】
このような条件を設定することにより、上記の金属組織の荒れによる割れやピンホールの発生を防止することができる。なお、熱間等静圧圧縮成形の温度が５００℃を超えると金属組織の荒れによる割れやピンホールが発生し、２００℃未満では拡散接合の効果が得られない。また、熱間等静圧圧縮成形の圧力が１００気圧未満ではフィラメントの乱れを抑制する効果が十分ではなく、２０００気圧を超えると線材にダメージが生じる。
【００１６】
上記の超電導線材の製造方法において好ましくは、熱間等静圧圧縮成形前に、多芯構造の線材のパイプ内部が脱ガスおよび脱気処理されて、脱ガスおよび脱気処理されたパイプの両端部がシールされる。
【００１７】
熱間等静圧圧縮成形前にパイプ内部を脱ガス・脱気処理しておかないと、熱間等静圧圧縮成形時にパイプ内部の内圧が上がるため、パイプ内に嵌合させた複数本の線材間の接合が弱くなる。また、パイプの両端部をシールすることにより、熱間等静圧圧縮成形の際の線材の外部の圧力がパイプ内に嵌合させた複数本の線材間にかかる。
【００１８】
上記の超電導線材の製造方法において好ましくは、熱間等静圧圧縮成形前に、多芯構造の線材が伸線される。
【００１９】
複数本の線材を金属製のパイプに嵌合させた直後は複数本の線材間に隙間があるため、熱間等静圧圧縮成形の効果が十分に得られない場合があるが、伸線をすることで複数本の線材間の隙間がなくなるため熱間等静圧圧縮成形により複数本の線材間を効果的に接合することが可能となる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。
【００２１】
図１は、本発明の一実施の形態における超電導線材の製造方法を示すフロー図である。また、図２〜図７は図１の各工程を示す図である。
【００２２】
図１を参照して、たとえばＢｉ−２２２３の高温超電導線材を製造する場合、パウダー・イン・チューブ法が用いられる。ここで、Ｂｉ−２２２３とは、Ｂｉ−Ｐｂ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ系の組成を有し、（ビスマスと鉛）：ストロンチウム：カルシウム：銅の原子比がほぼ２：２：２：３の比率で近似して表されるものである。
【００２３】
まず、たとえば５種類の原料粉末（Ｂｉ_２Ｏ_３、ＰｂＯ、ＳｒＣＯ_３、ＣａＣＯ_３、ＣｕＯ）が混合され、熱処理による反応で最終目的の超電導体であるＢｉ−２２２３相に変化する中間状態の前駆体粉末が作製される（ステップＳ１）。図２に示すように、この前駆体粉末２ａがパイプ３ａ内に充填される（ステップＳ２）。このパイプ３ａは、たとえば銀などの金属よりなり、外径がφ２０〜４０ｍｍで、肉圧が外径の３〜１５％程度のものである。これにより、超電導体の原料粉末（前駆体粉末）２ａを金属３ａで被覆した形態の線材１ａが得られる。この後、パイプ３ａ内の脱気が行われ、パイプ３ａの両端が密封される。
【００２４】
次に、図３に示すように、上記線材１ａを伸線加工することにより、前駆体を芯材として銀などの金属で被覆されたクラッド線１ｂが形成される（ステップＳ３）。このクラッド線１ｂは、たとえばφ２〜４ｍｍの６角形状とされる。
【００２５】
次に、図４に示すように、このクラッド線１ｂが多数束ねられて、たとえば銀などの金属よりなるパイプ３ｂ内に嵌合される（多芯嵌合：ステップＳ４）。このパイプ３ｂは、たとえば銀またはその合金などの金属よりなり、外径がφ２０〜４０ｍｍで、肉圧が外径の３〜１５％程度のものである。これにより、前駆体を芯材として多数有する多芯構造の線材が得られる。
【００２６】
次に、図５に示すように、多数の前駆体２が金属３により被覆された多芯構造の線材１ｃを伸線加工することによって、前駆体フィラメント２がたとえば銀などの金属３に埋め込まれた多芯線が形成される（ステップＳ５）。
【００２７】
次に、多芯線１ｃに熱間等静圧圧縮成形（ＨＩＰ：ＨｏｔＩｓｏｓｔａｔｉｃＰｒｅｓｓｉｎｇ）が施される（ステップＳ６）。図６に示すように、熱間等静圧圧縮成形を行う装置１３は、圧力容器円筒６と、その圧力容器円筒６の両端を密閉する上蓋５および下蓋１１と、圧力容器円筒６中にガスを導入するために上蓋５に設けられたガス導入口４と、処理品（多芯線）１ｃを加熱するヒータ９と、断熱層７と、処理品１ｃを支える支持具１０とにより構成されている。
【００２８】
本実施の形態では、多芯線が処理品１ｃとして圧力容器円筒６内で支持具１０に支持される。この状態で、ガス導入口４から所定のガスが圧力容器円筒６内に導入されることで、圧力容器円筒６内は１００気圧以上２０００気圧以下の加圧雰囲気とされ、その加圧雰囲気下でヒータ９により多芯線１ｃが２００℃以上５００℃以下の温度に加熱される。この熱処理はたとえば０．１時間以上１０時間以下の所定時間行われる。このようにして多芯線１ｃに熱間等静圧圧縮成形による熱処理が施されて、前駆体フィラメント２の周囲を被覆するたとえば銀などの金属３同士（つまりクラッド線１ｂの表面同士）が拡散接合される。
【００２９】
なお、上記の熱間等静圧圧縮成形時の多芯線１ｃの外圧がクラッド線１ｂ間の圧縮に働くように、熱間等静圧圧縮成形前には、多芯線１ｃを高真空で熱処理することにより多芯線１ｃのパイプ３ｂ内部を十分に脱ガスおよび脱気処理し、その後にパイプ３ｂの両端部をシールすることが好ましい。
【００３０】
この後、多芯線１ｃが伸線加工されることによって、φ１〜３ｍｍまで縮径される（ステップＳ７）。
【００３１】
次に、図７に示すように多芯線１ｃに１次圧延加工が施され、それによりテープ状の多芯線材１が得られる（ステップＳ８）。この１次圧延加工は、たとえば圧下率８０〜９０％の条件で行われる。この後、テープ状の多芯線材１を８３０〜８５０℃の温度まで加熱して、その温度で５０〜１５０時間保持することにより、多芯線材１に１次焼結が施される（ステップＳ９）。
【００３２】
さらに、図７に示すように多芯線材１に２次圧延加工が施される（ステップＳ１０）。この２次圧延加工は、たとえば圧下率０〜２０％の条件で行われる。この後、多芯線材１を８３０〜８５０℃の温度まで加熱して、その温度で５０〜１５０時間保持することにより、多芯線材１に２次焼結が施される（ステップＳ１１）。これにより、Ｂｉ−２２２３の高温超電導線材が製造される。
【００３３】
次に、上記の方法により形成された超電導線材の構成について説明する。
図８は、本発明の一実施の形態における超電導線材の構成を概略的に示す部分断面斜視図である。図８を参照して、上記方法により製造される酸化物超電導線材１は、長手方向に延びる複数本の酸化物超電導体フィラメント２と、それらを被覆するシース部３とを有している。複数本の酸化物超電導体フィラメント２の各々の材質は、たとえばＢｉ−Ｐｂ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ系の組成が好ましく、特に、（ビスマスと鉛）：ストロンチウム：カルシウム：銅の原子比がほぼ２：２：２：３の比率で近似して表されるＢｉ２２２３相を含む材質が最適である。シース部３の材質は、たとえば銀および／または銀合金よりなっている。
【００３４】
多芯嵌合後に熱処理を施すのは、図４の工程にてパイプ３ｂ内に嵌合されたクラッド線１ｂ間の密着性を高めることで一体的な動き（均一変形）を可能とし、伸線加工および圧延加工の工程においてフィラメントの乱れ（ソーセージング、ブリッジング）を防止するためである。ここで、ソーセージングとは、図９に示すようにフィラメント２が長手方向に厚みの厚い部分と薄い部分とが顕著に生じることであり、ブリッジングとはフィラメント同士が互いに接してショートすることである。しかし、多芯嵌合後に行う上記の熱処理も５００℃を超える温度で行われると、シース材である金属（たとえば銀）の粒成長が激しくなり、図１０に示すように線材１に割れ１ｅが生じてしまったり、線材１にピンホールが生じたりする。
【００３５】
本実施の形態によれば、熱間等静圧圧縮成形により外圧（１００気圧以上２０００気圧以下）を加えている。このため、シース材である金属（銀）の粒成長が生じないような低い温度（２００℃以上５００℃以下）で熱処理を施しても、パイプ３ｂ内に嵌合させた複数本のクラッド線１ｂ同士間の密着性を高めることができる。また、フィラメント２の乱れ（ソーセジング、ブリッジング）は圧延加工時に最も顕著に生じるため、この熱間等静圧圧縮成形を圧延加工前に施すことにより効果的にフィラメント２の乱れを抑制することができる。また、熱間等静圧圧縮成形時の熱処理温度を２００℃以上５００℃以下と低くすることができるため、シース材である金属の粒成長が生じない。これにより、シース材である金属の組織が荒くなることを防止できるため、この金属組織の荒れにより割れやピンホールが生じることも防止できる。
【００３６】
なお、フィラメント２の乱れは伸線でも生じるので、多芯嵌合後に出来るだけ大きな径で熱間等静圧圧縮成形を施すことが好ましい。クラッド線１ｂ間の密着性を高めるために、クラッド線１ｂ表面を伸線潤滑油が残存しないように清浄にすること、クラッド線１ｂ同士が互いに接触容易なようにクラッド線１ｂの表面粗さを調整することが熱間等静圧圧縮成形の前処理として好ましい。
【００３７】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の超電導線材の製造方法によれば、熱間等静圧圧縮成形により低い処理温度でパイプ内に嵌合させた複数本の線材間の密着性を高めることができるため、シース材である金属が結晶成長することを抑制でき、その後の加工性に影響を与えることは防止される。このため、フィラメントの乱れ（ソーセジング、ブリッジング）が抑制され、臨界電流密度（Ｊｃ）を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態における超電導線材の製造方法を示すフロー図である。
【図２】図１の工程を示す第１図である。
【図３】図１の工程を示す第２図である。
【図４】図１の工程を示す第３図である。
【図５】図１の工程を示す第４図である。
【図６】図１の工程を示す第５図である。
【図７】図１の工程を示す第６図である。
【図８】本発明の一実施の形態における超電導線材の構成を概略的に示す部分断面斜視図である。
【図９】ソーセージングを説明するための部分断面斜視図である。
【図１０】線材の割れを説明するための部分断面斜視図である。
【符号の説明】
１酸化物超電導線材、１ａ線材、１ｂクラッド線、１ｃ多芯線、２フィラメント（原料粉末）、３シース部、３ａ，３ｂパイプ（金属）、４ガス導入口、５上蓋、６圧力容器円筒、７断熱層、９ヒータ、１０支持具、１１下蓋、１３熱間等静圧圧縮成形を行う装置。

Claims

超電導体の原料粉末を金属で被覆した形態の線材を複数本、金属製のパイプに嵌合させて多芯構造の線材とした後であって、前記多芯構造の線材に１次圧延を施す前に、前記多芯構造の線材に熱間等静圧圧縮成形を行うことを特徴とする、超電導線材の製造方法。
前記熱間等静圧圧縮成形は、２００℃以上５００℃以下の温度および１００気圧以上２０００気圧以下の圧力の条件下で行われることを特徴とする、請求項１に記載の超電導線材の製造方法。
前記熱間等静圧圧縮成形前に、前記多芯構造の線材の前記パイプ内部を脱ガスおよび脱気処理して、脱ガスおよび脱気処理された前記パイプの両端部をシールすることを特徴とする、請求項１または２に記載の超電導線材の製造方法。
前記熱間等静圧圧縮成形前に、前記多芯構造の線材を伸線す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。