【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｎｂ３Ａｌ化合物系超電導線の製造方法に関し、特に、安定化材を良好に複合したＮｂ３Ａｌ化合物系超電導線の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
Ｎｂ３Ａｌ化合物系超電導線は、Ｎｂ３Ｓｎ、ＮｂＴｉのような超電導線と比べ、高磁界における臨界電流密度特性に優れていることから、たとえば、高磁界ＮＭＲマグネット等に使用する超電導材料として実用化が期待されている。
【０００３】
従来のＮｂ３Ａｌ化合物系超電導線の製造方法として、たとえば、ＮｂとＡｌを所定の組成比率で複合し、相互の拡散距離をサブミクロンオーダーまで小さくした状態で６００〜１０５０℃の温度に加熱し、これにより固相拡散を起こさせてＮｂ３Ａｌを生成させる製法が知られている。
【０００４】
しかし、この製法によると、１５００℃以上の高温でのみ安定するＮｂ３Ａｌ化合物にとっては温度不足での固相拡散となり、このため、化学量論組成からのずれが発生することから、高い臨界電流密度を得ることが難しい。
【０００５】
Ｎｂ３Ａｌ化合物系超電導線を得るための他の製造方法として、ＮｂとＡｌを所定の組成比で複合し、これを１５００℃以上に加熱して直ちに冷却することにより、Ｎｂ−Ａｌ過飽和固溶体を生成させ、その後、これを６００〜１０５０℃の温度で再加熱し、Ｎｂ３Ａｌ相を析出させる方法が知られている。
【０００６】
相析出法に基づくこの製造方法は、Ｎｂ−Ａｌ過飽和固溶体生成のための加熱温度が高いために、化学量論組成からのずれによる臨界電流密度の低下がなく、従って、ＮＭＲマグネット等への適用を考えた場合に最も適した製造方法とされている。
【０００７】
通常、この方法による超電導線の製造は、以下の手順により進められる。
【０００８】
たとえば、ジェリーロール法の場合であれば、まず、ＮｂあるいはＮｂ合金のシートと、ＡｌあるいはＡｌ合金のシートを積層巻きにしてＮｂパイプに詰め、これに伸線加工を施すことによって所定のサイズのシングル線材とする。
【０００９】
次に、得られたシングル線材の集合束を外部マトリックスとなるＮｂパイプに入れ、これに伸線加工を施すことによってＮｂとＡｌのマルチ線材を作製し、その後、これを１５００℃以上の高温に加熱して直ちに冷却処理する。
【００１０】
この加熱と冷却処理の結果、ＮｂとＡｌの複合部にはＮｂ−Ａｌ過飽和固溶体が生成し、次に、この素材を６００〜１０５０℃の温度で再加熱処理することにより、Ｎｂ−Ａｌ過飽和固溶体の部分にＮｂ３Ａｌ相を析出させる。
【００１１】
この方法によれば、高い臨界電流密度を有する超電導線の製造が可能であり、従って、この方法は、要求性能の厳しいＮＭＲマグネット等に使用される超電導線にとっては唯一とも言える製造方法であり、有望視されている。
【００１２】
しかし、従来の析出法に基づいたＮｂ３Ａｌ化合物系超電導線によると、Ｎｂ−Ａｌ過飽和固溶体生成のための加熱急冷時の加熱温度が高いため、外部マトリックスの周上への安定化材の形成が難しい。即ち、Ｎｂ−Ａｌ過飽和固溶体生成のための加熱温度は、多くの場合２０００℃と高く、安定化材を構成する銅あるいは銅合金等の融点を遥かに超えてしまうことから、加熱冷却処理の前に安定化材を形成しておくことは不可能である。
【００１３】
このため、安定化材の形成は、加熱急冷処理後に行うのが普通とされているが、加熱急冷後の外部マトリックスの表面は、強固なＮｂ酸化膜で覆われていることから、安定化材との間に良好な接合状態を作り出しにくく、たとえば、安定化材の形成を電気めっきによって行う場合、メッキ層と外部マトリックス間の電気化学的な接合が阻害され、良好な接合状態を得ることが困難となる。
【００１４】
そこで、加熱急冷処理後の線材外周に安定化材を被覆して塑性変形を施すことによって安定化材を接合する方法が考案された（例えば、特許文献１参照）。この方法は、加熱急冷処理後の線材と安定化材が塑性変形を起こすような強い減面加工（クラッド加工）を施すことによって、外部マトリックス表面にＮｂの新生面を出し、これと安定化材を複合させる方法である。
【００１５】
ところで、超電導線は、長手方向の引張り力や曲げ歪が加わった際に、臨界電流密度などの超電導特性が低下しやすいという欠点を有している。この点、断面円形の超電導線よりも断面矩形状の超電導線の方が、上記した変形による超電導特性の低下が少ない。この観点から、丸線を断面矩形状に加工することが知られている（例えば、特許文献２参照）。
【００１６】
【特許文献１】
特開２０００−１１３７４８号公報
【００１７】
【特許文献２】
特開平４−２９８９１７号公報
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、断面矩形状の超電導線とすることを目的として、従来の塑性変形を施す安定化材複合法に、例えば、２方向の平角ロールを用いて安定化材複合加工を施した場合、幅方向と厚さ方向とで複合状態が一定しないため、特に、厚さ方向に密着の不十分な箇所ができてしまうという問題がある。
【００１９】
また、従来の塑性変形を施す安定化材複合法に、例えば、２方向の丸形状のローラーダイスを用いて安定化材複合加工を施した場合、全体に密着性は悪く、良好な密着性を得るためには大きな減面加工度が必要となるが、５０％を越える減面加工は線材の超電導特性を低下させる原因となるため好ましくない。また、このような不十分な接合では、線材の寸法精度を向上させるためのダイス伸線が出来ないため、寸法精度の必要となるＮＭＲマグネット用線材として使用することは困難となる。
【００２０】
従って、本発明の目的は、上記課題を解決し、４方向ロールを用いて、線材側面の安定化材を塑性変形させることにより、外部マトリックスと安定化材をより強固に複合させ、線材の周方向全体に安定化材が良好に複合することによって、界面の接触抵抗をより低下させるＮｂ３Ａｌ化合物系超電導線の製造方法を提供することにある。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の目的を達成するため、ＮｂあるいはＮｂ合金とＡｌあるいはＡｌ合金から成る積層体の周囲にＮｂあるいはＮｂ合金のマトリックスを被覆して複数のシングル線材を形成し、上記複数のシングル線材をＮｂあるいはＮｂ合金の外部マトリックスで被覆してマルチ線材を構成し、上記マルチ線材を所定の温度に加熱した後、冷却用金属材による冷却処理を施すことによりＮｂ−Ａｌ過飽和固溶体を生成させ、これに所定の温度で再加熱処理を施すことによりＮｂ３Ａｌ相を析出させるＮｂ３Ａｌ化合物系超電導線の製造方法において、上記冷却処理の後に、上記外部マトリックスの表面から上記冷却用金属材を除去し、上記外部マトリックスの上に安定化材を被覆し、２つ以上の駆動ロールを有する４方向ロールによって上記マルチ線材および上記安定化材を塑性変形させる減面加工を施し、界面が隙間なく一体化された矩形断面の線材とした後、上記再加熱処理を施すことを特徴とするものである。
【００２２】
上記減面加工は、４方向ロールによって行われ、これを用いることによって、平角側面の安定化材の塑性変形が助長され、線材の厚さ方向の接合が良好になるため、線材の周方向全体において上記外部マトリックスおよび上記安定化材の接合がより良好になり、界面の接触抵抗が低減される。
【００２３】
また、本発明の製造方法では、減面加工に加え、マルチ線材の丸線から平角線への塑性変形による機械的複合効果を用いているため、効果的な複合をなし得る。この平角線への減面加工は、アスペクト比２．０以上に設定するのが好ましく、特にアスペクト比を２．０〜３．０としたとき、良好な密着性と高い臨界電流特性が得られる。
【００２４】
さらに、本発明において、上記減面加工の減面率は、３０％〜５０％程度に設定するのが好ましく、特に減面率を３５％〜４５％と設定したとき最も高い臨界電流特性が得られる。減面率５０％を超える減面加工も可能であるが、臨界電流密度の低下を招くため好ましくない。また、上記減面加工の減面率が３０％未満の加工では、上記外部マトリックスと上記安定化材との接合が悪く、安定化としての効果が小さいため好ましくない。
【００２５】
上記安定化材としては、銅、銅合金、銀、あるいは銀合金などが使用され、その外部マトリックス上への適用形式としては、シート状物の巻き付け、縦添え、あるいは管状体として成型した中にマルチ線材を詰め込む等の方法が採られ、その後、所定の加工が施される。
【００２６】
上記冷却用金属材としては、多くの場合Ｇａが使用される。Ｇａは導電性に富み、沸点が高く、融点が低いことから、冷却材としては最適である。
【００２７】
【発明の実施の形態】
次に、本発明によるＮｂ３Ａｌ化合物系超電導線の製造方法の実施の形態について説明する。
【００２８】
ここで製造しようとするＮｂ３Ａｌ化合物系超電導線は、Ｎｂ−Ａｌ過飽和固溶体を加熱することによって析出された複数のＮｂ３Ａｌ超電導線材部と、上記超電導線材部を被覆するＮｂあるいはＮｂ合金あるいはＴａあるいはＴａ合金の外部マトリックスと、上記外部マトリックスの上に形成された安定化材とから構成され、上記外部マトリックスおよび上記安定化材が塑性変形を起こすような減面加工を施されることによって界面が隙間なく一体化された構成を有する。
【００２９】
図１は、実施の形態に係る超電導線の製造過程における製品の形状を示したものである。
【００３０】
図１（イ）において、１はＮｂシート２とＡｌシート３を積層し、これを中心材４に隙間なく巻き付けることによって構成したジェリーロール形式の積層体を示す。５は、Ｎｂマトリックスを形成するために積層体１上に静水圧押出により形成されたＮｂ被覆を示し、このＮｂ被覆５の上には同様にしてＣｕ被覆６が形成され、これによって複合素線７とされる。
【００３１】
図１（ロ）は、複合素線７をダイス伸線により断面六角形に減面加工し、その後、Ｃｕ被覆６を除去することによって製造したシングル線材８の構造を示したもので、六角形による密接集合が可能な構造となっている。
【００３２】
図１（ハ）は、外部マトリックスとなるべきＮｂ管９とＣｕ−Ｎｉ合金管１０を、静水圧押出によりシングル線材８の集合束の上に形成することによって得られた複合線材１１の構造を示す。この複合線材１１は、ダイス伸線によって所定の寸法に減面加工された後、最外周のＣｕ−Ｎｉ合金管１０が除去され、所定寸法のマルチ線材１２とされる。
【００３３】
図１（ニ）は、以上により得られたマルチ線材１２を所定の温度に加熱した後、これを液体Ｇａ（冷却用金属材）中に浸漬して急冷し、シングル線材８の積層体１の部分にＮｂ−Ａｌ過飽和固溶体を生成させた中間体の構造を示す。図中９’はマルチ線材１２の外層部を構成する外部マトリックスを示す。加熱手段としてはマルチ線材１２に直接電流を流す通電加熱方式が採用された。
【００３４】
図１（ホ）は、Ｎｂ−Ａｌ過飽和固溶体を生成させたマルチ線材１２の外部マトリックス９’の表面から冷却時に付着したＧａを除去し、銅あるいは銀の安定化材１３を設けた複合体１４を示す。この複合体１４は、２つ以上のロールが駆動式の４方向ロールによって所定の減面加工、すなわち上記マルチ線材１２および上記安定化材１３が塑性変形する強い減面加工（クラッド加工）を施され平角線材とされた後、所定の温度で再加熱処理をされ、Ｎｂ−Ａｌ過飽和固溶体からＮｂ３Ａｌ相を析出させて所定の超電導線材部１５を有する超電導線とされる。
【００３５】
図２は、実施の形態に係る超電導線の製造プロセスをフローチャートであり、図中（イ）〜（ホ）は、それぞれ図１の（イ）〜（ホ）に対応するものである。
【００３６】
図３は、製造プロセス中の、４方向ロールによる減面加工を示した断面図である。２１は上下に配置された一対の駆動ロールであり、横方向に走る回転中心軸を持つ。２２は左右に配置された一対の非駆動ロールであり、縦方向に走る回転中心軸を持つ。左右の非駆動ロール２２、２２の間に上下の駆動ロール２１の周端部が入り込む形で配置され、上下から複合体１４を押圧する。左右の非駆動ロール２２は駆動ロール２１の側面から複合体１４を押圧し、結果として隙間２３をもって離れた状態に位置する。
【００３７】
図示するように、各ロール２１、２２の隙間２３に安定化材１３が入り込むような強い減面加工を施すことによって、平角線材の幅方向だけでなく厚さ方向でも、外部マトリックス９’と安定化材１３との接合が強固になり、接触抵抗が低減されるため、安定性が向上する。
【００３８】
なお、図示の４方向ロールによる場合、安定化材１３は線材厚さ方向に延び出した形となる。そこで、減面加工終了後、線材厚さ方向に延びた安定化材１３を、減面しない程度のスキンパスによって押し潰すか、またはブラッシングやヤスリがけなどによって削った後、線材は所定の温度で再加熱処理をされ、Ｎｂ−Ａｌ過飽和固溶体からＮｂ３Ａｌ相を析出させて所定の超電導線材部１５を有する超電導線とされる。
【００３９】
【実施例】
以下、図１、図２に基づいた本発明の実施例について説明する。
【００４０】
なお、Ｎｂ−Ａｌ過飽和固溶体を生成させるための加熱温度とＮｂ３Ａｌ相析出のための再加熱処理温度は、それぞれ２０００℃と８００℃に一律に設定した。
【００４１】
［実施例１］
図１、図２において、厚さ７５μｍの純Ｎｂシート２と、厚さ２５μｍの純Ａｌシート３と、外径２ｍｍのＮｂ中心材４を使用し、外径１．２０ｍｍのマルチ線材１２を得た。次に、これにＮｂ−Ａｌ過飽和固溶体を生成させるための加熱急冷処理を施した後、外部マトリックス９’の表面に付着したＧａを塩酸で化学処理し、引き続き、外部マトリックス９’の表面を研磨することによってＧａ酸化物を除去した。
【００４２】
次に、肉厚０．１ｍｍ、外径１．５ｍｍの無酸素銅のパイプを安定化材１３の構成材として準備し、この中にマルチ線材１２を詰め込んだ後、複合体１４のサイズが１．６ｍｍ×０．５９ｍｍ（減面率４０％）となるように４方向ロールで減面加工を施し、次に、これに再加熱処理を施すことにより所定のＮｂ３Ａｌ化合物超電導線を製造した。
【００４３】
［実施例２］
実施例１において、複合体１４のサイズが１．６ｍｍ×０．６９ｍｍ（減面率３０％）となるように４方向ロールで減面加工を施し、他を実施例１と同じにすることにより所定のＮｂ３Ａｌ化合物超電導線を製造した
［実施例３］
実施例１において、複合体１４のサイズが１．６ｍｍ×０．４９ｍｍ（減面率５０％）となるように４方向ロールで減面加工を施し、他を実施例１と同じにすることにより所定のＮｂ３Ａｌ化合物超電導線を製造した。
【００４４】
［実施例４］
実施例１において、安定化材１３の構成材として厚さ０．１ｍｍ、幅４ｍｍの無酸素銅シートを使用し、これをマルチ線材１２上に合わせ目に隙間が生じないように縦添えした後、４方向ロールにより、複合体１４のサイズが１．６ｍｍ×０．５７ｍｍ（減面率４０％）となるように減面加工を施し、他を実施例１と同じにすることにより所定のＮｂ３Ａｌ化合物超電導線を製造した。
【００４５】
［実施例５］
実施例４において、安定化材１３の構成材として厚さ０．０１ｍｍ、幅４ｍｍの銀シートを使用し、他を実施例４と同じにすることにより所定のＮｂ３Ａｌ化合物系超電導線を製造した。
【００４６】
［比較例１］
図１、図２において、厚さ７５μｍの純Ｎｂシート２と、厚さ２５μｍの純Ａｌシート３と、外径２ｍｍのＮｂ中心材４を使用し、外径１．２０ｍｍのマルチ線材１２を得た。次に、これにＮｂ−Ａｌ過飽和固溶体を生成させるための加熱急冷処理を施した後、外部マトリックス９’の表面に付着したＧａを塩酸で化学処理し、引き続き、外部マトリックス９’の表面を研磨することによってＧａ酸化物を除去した。
【００４７】
次に、肉厚０．１ｍｍ、外径１．５ｍｍの無酸素銅のパイプを安定化材１３の構成材として準備し、この中にマルチ線材１２を詰め込んだ後、複合体１４のサイズが１．６ｍｍ×０．９８ｍｍ（減面率０％）となるように加工（スキンパス）を施し、次に、これに再加熱処理を施すことにより所定のＮｂ３Ａｌ化合物超電導線を製造した。
【００４８】
［比較例２］
比較例１において、複合体１４のサイズが１．６ｍｍ×０．９３ｍｍ（減面率５％）となるように減面加工を施し、他を比較例１と同じにすることにより所定のＮｂ３Ａｌ化合物超電導線を製造した。
【００４９】
［比較例３］
実施例１において、複合体１４のサイズが１．６ｍｍ×０．８９ｍｍ（減面率１０％）となるように４方向ロールで減面加工を施し、他を実施例１と同じにすることにより所定のＮｂ３Ａｌ化合物超電導線を製造した。
【００５０】
［比較例４］
実施例１において、複合体１４のサイズが１．６ｍｍ×０．７９ｍｍ（減面率２０％）となるように４方向ロールで減面加工を施し、他を実施例１と同じにすることにより所定のＮｂ３Ａｌ化合物超電導線を製造した。
【００５１】
［比較例５］
実施例１において、複合体１４のサイズが１．６ｍｍ×０．３９ｍｍ（減面率６０％）となるように４方向ロールで減面加工を施し、他を実施例１と同じにすることにより所定のＮｂ３Ａｌ化合物超電導線を製造した。
【００５２】
【表１】
【００５３】
【表２】
【００５４】
表１、表２に、以上の実施例および比較例によって得られた各超電導線の要部構成と臨界電流特性、臨界電流密度特性を示す。
【００５５】
マルチ線材１２と安定化材１３の密着性の比較は接触抵抗測定でも行えるが、安定化の効果は、線材の使用条件（液体ヘリウム温度；４．２Ｋ）中で電流を流した際に、クエンチが起こるかどうかで判別でき、且つこの点が最も重要であるため、臨界電流特性、および臨界電流密度特性での比較を行った。
【００５６】
表１によれば、本発明による実施例（実施例１〜５）がいずれも優れた臨界電流特性および臨界電流密度特性を示していることがわかる。また、比較例１〜４（表２）のように減面加工をほとんど施さない線材が低磁場側（１８Ｔ以下）でクエンチするのに対し、本発明による実施例１〜５（表１）ではいずれも低磁界側（高電流側）でクエンチが起こらず、安定性が向上している。特に本発明を用いて、減面加工度を３０％以上とした実施例（実施例１〜５）では１５Ｔという低磁界側でもクエンチを発生せず、安定性が向上していることは明らかである。これは４方向ロールを用いて安定化材１３が塑性変形を起こすような強加工を施すことによって、よりマルチ線材１２と安定化材１３の密着性が向上しているからにほかならない。
【００５７】
表１に示された実施例１〜５の臨界電流特性および臨界電流密度特性は、現状において多用されているＮｂ３ＳｎあるいはＮｂ３Ａｌ化合物超電導線より高い値を示し、さらに、耐歪み特性にも優れていることから、より高性能な超電導線の提供が可能となる。
【００５８】
＜最適条件についての根拠＞
減面加工度３０％〜５０％とした平角線材は、上記表１の実施例に見られるように、臨界電流特性および臨界電流密度特性に優れ、マルチ線材と安定化材との接合も非常に良好である。３０％未満の減面ではマルチ線材と安定化材との接合が悪く、５０％を超える減面加工を施すと臨界電流特性が著しく低下してしまうため、最適な減面加工度は３０％〜５０％とした。
【００５９】
また、アスペクト比２．０〜３．０とした平角線材は、上記実施例に見られるように、臨界電流特性および臨界電流密度特性に優れ、マルチ線材と安定化材との接合も非常に良好である。アスペクト比１．５〜２．０の平角線材においても加工は可能であるが、比較例に見られるようにＩｃ、特性が低下するため好ましくない。
【００６０】
＜変形例＞
上記４方向ロールの変形例として、図４に示すように、駆動ロール２１と非駆動ロール２２を、隣のロール側面にロール周面を向かわせるように順次ずらせて、まんじ状に配置したタークスヘッドロールにより減面加工することもできる。この場合も、安定化材を塑性変形させるような強加工を施すことによって、マルチ線材と安定化材間の接合性に優れた綿材の作製が可能である。
【００６１】
＜使用方法、応用システムなど＞
本発明のＮｂ３Ａｌ系化合物超電導線は、臨界電流特性および臨界電流密度特性に優れ、且つ安定化材の接合性が良好なため、核融合炉用超電導マグネット、高エネルギー粒子加速器、物性研究用高磁界ＮＭＲマグネットなどに用いる線材として有効である。
【００６２】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明のＮｂ３Ａｌ系化合物超電導線およびその製造方法によれば、マルチ線材を加熱急冷した後、Ｇａを除去して安定化材をマルチ線材周囲に配置して、例えば減面加工度３０％〜５０％、アスペクト比２．０以上での塑性変形を起こすような減面加工を施すことによって、平角線材の幅方向だけでなく厚さ方向でも、外部マトリックスと安定化材との接合が強固になり、接触抵抗が低減されるため、高い臨界電流特性および臨界電流密度特性を持ち、安定化材の接合性に優れたＮｂ３Ａｌ化合物系超電導線を提供することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＮｂ３Ａｌ化合物系超電導線の製造方法における実施の形態を示す説明図であり、Ａは部分拡大図を示す。
【図２】図１の実施の形態の製造プロセスを示すフローチャート。
【図３】本発明での４方向ロールによる減面加工の概要を示した断面図である。
【図４】本発明でのタークヘッドによる減面加工の概要を示した断面図である。
【符号の説明】
７ 複合素線
８ シングル線材
９ Ｎｂ管
９’ 外部マトリックス
１０ Ｃｕ−Ｎｉ合金管
１１ 複合線材
１２ マルチ線材
１３ 安定化材
１４ 複合体
１５ 超伝導線材部
２１ 駆動ロール
２２ 非駆動ロール[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method of manufacturing a Nb 3 Al compound superconducting wire, in particular to a method of manufacturing a well-complexed with Nb 3 Al compound superconducting wire of stabilizing material.
[0002]
[Prior art]
Nb 3 Al compound-based superconducting wires are superior in critical current density characteristics in a high magnetic field as compared with superconducting wires such as Nb 3 Sn and NbTi, and therefore are practically used as superconducting materials used for, for example, high-field NMR magnets. Is expected.
[0003]
As a conventional method of manufacturing a Nb 3 Al compound-based superconducting wire, for example, Nb and Al are compounded at a predetermined composition ratio, and heated to a temperature of 600 to 1050 ° C. with the mutual diffusion distance reduced to the submicron order. There is known a production method in which solid phase diffusion is caused to generate Nb 3 Al.
[0004]
However, according to this method, the Nb 3 Al compound which is stable only at a high temperature of 1500 ° C. or more causes solid-phase diffusion at an insufficient temperature, and a deviation from the stoichiometric composition occurs. Difficult to get density.
[0005]
As another manufacturing method for obtaining a Nb 3 Al compound superconducting wire, Nb and Al are combined at a predetermined composition ratio, and this is heated to 1500 ° C. or more and immediately cooled to form an Nb—Al supersaturated solid solution. A method is known in which the Nb 3 Al phase is precipitated and then reheated at a temperature of 600 to 1050 ° C. to precipitate an Nb 3 Al phase.
[0006]
This production method based on the phase precipitation method does not cause a decrease in critical current density due to deviation from the stoichiometric composition due to a high heating temperature for producing a Nb-Al supersaturated solid solution, and is therefore applicable to NMR magnets and the like. It is considered to be the most suitable manufacturing method when considering this.
[0007]
Usually, the production of a superconducting wire by this method proceeds according to the following procedure.
[0008]
For example, in the case of the jelly roll method, first, a sheet of Nb or Nb alloy and a sheet of Al or Al alloy are laminated and packed into an Nb pipe, which is drawn to a predetermined size. Use a single wire.
[0009]
Next, the obtained bundle of the single wires is put into an Nb pipe serving as an external matrix, and the wire is subjected to wire drawing to produce a multi-wire of Nb and Al, which is then heated to a high temperature of 1500 ° C. or more. Heat and immediately cool.
[0010]
As a result of this heating and cooling treatment, an Nb-Al supersaturated solid solution is formed in the composite portion of Nb and Al. Then, the material is reheated at a temperature of 600 to 1050 ° C. to obtain an Nb-Al supersaturated solid solution. The Nb 3 Al phase is precipitated in the portion of the above.
[0011]
According to this method, it is possible to manufacture a superconducting wire having a high critical current density.Therefore, this method is a manufacturing method that can be said to be the only method for a superconducting wire used for an NMR magnet or the like with strict performance requirements, Promising.
[0012]
However, according to the Nb 3 Al compound-based superconducting wire based on the conventional precipitation method, since the heating temperature at the time of heating and quenching for the production of the Nb-Al supersaturated solid solution is high, the formation of the stabilizing material on the periphery of the external matrix is performed. Is difficult. That is, the heating temperature for forming the Nb-Al supersaturated solid solution is as high as 2000 ° C. in many cases, far exceeding the melting point of copper or copper alloy constituting the stabilizing material. It is impossible to form a stabilizer in advance.
[0013]
Therefore, the formation of the stabilizing material is generally performed after the heating and quenching treatment. However, since the surface of the external matrix after the heating and quenching is covered with a strong Nb oxide film, the stabilizing material is formed. For example, when forming a stabilizing material by electroplating, electrochemical bonding between the plating layer and the external matrix is hindered, and a good bonding state may be obtained. It will be difficult.
[0014]
In view of this, a method has been devised in which a stabilizing material is coated on the outer periphery of a wire after heating and quenching treatment and plastically deformed to join the stabilizing material (for example, see Patent Document 1). In this method, a strong surface reduction process (cladding process) is performed to cause plastic deformation between the wire and the stabilizing material after the heating and quenching treatment, thereby producing a new surface of Nb on the surface of the external matrix. It is a method of combining.
[0015]
By the way, a superconducting wire has a drawback that when a tensile force or bending strain in a longitudinal direction is applied, superconducting characteristics such as a critical current density are easily reduced. In this regard, a superconducting wire having a rectangular cross section has less deterioration in superconductivity due to the above-described deformation than a superconducting wire having a circular cross section. From this viewpoint, it is known to process a round wire into a rectangular cross section (for example, see Patent Document 2).
[0016]
[Patent Document 1]
JP 2000-113748 A
[Patent Document 2]
JP-A-4-298917
[Problems to be solved by the invention]
However, for the purpose of forming a superconducting wire having a rectangular cross section, when the conventional stabilizer compounding method for performing plastic deformation is subjected to, for example, a stabilizer compounding process using a two-way flat roll, the widthwise direction is changed. Since the composite state is not constant between the thickness direction and the thickness direction, there is a problem that a portion having insufficient adhesion is formed particularly in the thickness direction.
[0019]
Also, in the case where the conventional stabilizing material composite method of performing plastic deformation is subjected to, for example, a stabilizing material composite processing using a two-way round roller die, the overall adhesiveness is poor, and good adhesiveness is obtained. To achieve this, a large degree of surface reduction is required, but a surface reduction exceeding 50% is not preferable because it causes the superconductivity of the wire to deteriorate. In addition, such insufficient bonding makes it impossible to draw a wire to improve the dimensional accuracy of the wire, so that it is difficult to use the wire for an NMR magnet that requires dimensional accuracy.
[0020]
Accordingly, an object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, and to plastically deform the stabilizing material on the side surface of the wire using a four-way roll, thereby more firmly combining the external matrix and the stabilizing material, and forming a peripheral material of the wire. It is an object of the present invention to provide a method for producing an Nb 3 Al compound-based superconducting wire in which a stabilizing material is satisfactorily compounded in the entire direction to further reduce interface contact resistance.
[0021]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention forms a plurality of single wires by coating a matrix of Nb or Nb alloy around a laminate of Nb or Nb alloy and Al or Al alloy to form a plurality of single wires. The wire is coated with an external matrix of Nb or an Nb alloy to form a multi-wire, and after heating the multi-wire to a predetermined temperature, a cooling process is performed with a metal material for cooling to form an Nb-Al supersaturated solid solution. In the method for producing an Nb 3 Al compound superconducting wire in which a reheating treatment is performed at a predetermined temperature to precipitate an Nb 3 Al phase, after the cooling treatment, the cooling metal material is removed from the surface of the external matrix. And coat the stabilizing material over the outer matrix and top up with a four-way roll having two or more drive rolls. The multi-wire material and the stabilizing material are subjected to a surface reduction process for plastically deforming the wire material to form a wire having a rectangular cross section in which the interface is integrated without gaps, and then the reheating treatment is performed.
[0022]
The above-mentioned surface reduction processing is performed by a four-direction roll, and by using this, plastic deformation of the stabilizing material on the flat side surface is promoted and joining in the thickness direction of the wire becomes good, so that the entire circumferential direction of the wire is In the above, the bonding between the external matrix and the stabilizing material is improved, and the contact resistance at the interface is reduced.
[0023]
In addition, in the manufacturing method of the present invention, in addition to the surface reduction processing, an effective composite can be formed because the mechanical composite effect of plastic deformation of the multi-wire rod from a round wire to a flat wire is used. It is preferable to set the aspect ratio to 2.0 or more in the surface reduction processing to the flat wire. In particular, when the aspect ratio is 2.0 to 3.0, good adhesion and high critical current characteristics can be obtained. .
[0024]
Further, in the present invention, it is preferable that the area reduction rate of the above-described area reduction processing is set to about 30% to 50%, and particularly when the area reduction rate is set to 35% to 45%, the highest critical current characteristic is obtained. Can be Although a surface reduction process exceeding a surface reduction rate of 50% is possible, it is not preferable because a critical current density is lowered. Further, when the surface reduction rate of the surface reduction processing is less than 30%, the bonding between the external matrix and the stabilizing material is poor, and the stabilizing effect is small, which is not preferable.
[0025]
As the stabilizing material, copper, a copper alloy, silver, or a silver alloy is used, and as an application form on the external matrix, winding a sheet-like material, vertically attaching, or molding into a tubular body A method such as stuffing a multi-wire is adopted, and thereafter, predetermined processing is performed.
[0026]
Ga is often used as the cooling metal material. Ga is optimal as a coolant because it has high conductivity, a high boiling point, and a low melting point.
[0027]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Next, an embodiment of a method for producing an Nb 3 Al compound-based superconducting wire according to the present invention will be described.
[0028]
The Nb 3 Al compound-based superconducting wire to be manufactured here is composed of a plurality of Nb 3 Al superconducting wire portions deposited by heating an Nb—Al supersaturated solid solution, and Nb or Nb alloy covering the superconducting wire portion or An external matrix of Ta or a Ta alloy, and a stabilizing material formed on the external matrix. The external matrix and the stabilizing material are subjected to surface reduction processing that causes plastic deformation. It has a configuration in which the interface is integrated without gaps.
[0029]
FIG. 1 shows a shape of a product in a manufacturing process of the superconducting wire according to the embodiment.
[0030]
In FIG. 1A, reference numeral 1 denotes a jelly roll-type laminate formed by laminating an Nb sheet 2 and an Al sheet 3 and winding the Nb sheet 2 and an Al sheet 3 around a center member 4 without gaps. Numeral 5 denotes an Nb coating formed on the laminate 1 by hydrostatic extrusion to form an Nb matrix, on which a Cu coating 6 is formed in the same manner, whereby a composite strand is formed. 7 is assumed.
[0031]
FIG. 1 (b) shows the structure of a single wire 8 produced by reducing the surface of the composite wire 7 into a hexagonal cross section by die drawing and then removing the Cu coating 6. Is a structure that allows close assembly.
[0032]
FIG. 1C shows the structure of a composite wire 11 obtained by forming an Nb tube 9 and a Cu—Ni alloy tube 10 to be an external matrix on a bundle of single wires 8 by hydrostatic extrusion. Show. After the composite wire 11 is reduced in surface area to a predetermined size by die drawing, the outermost Cu-Ni alloy tube 10 is removed to obtain a multi-wire 12 having a predetermined size.
[0033]
FIG. 1 (d) shows that after heating the multi-wire 12 obtained as described above to a predetermined temperature, it is immersed in liquid Ga (metal for cooling) and quenched to obtain a laminate 1 of the single wire 8. The structure of an intermediate in which an Nb-Al supersaturated solid solution is formed in a part is shown. In the figure, reference numeral 9 'denotes an external matrix constituting an outer layer portion of the multi-wire 12. As a heating means, an energization heating method in which an electric current is directly applied to the multi-wire 12 was adopted.
[0034]
FIG. 1 (e) shows a composite 14 in which Ga adhered during cooling was removed from the surface of the external matrix 9 ′ of the multi-wire 12 in which the Nb—Al supersaturated solid solution was generated, and a copper or silver stabilizer 13 was provided. Is shown. The composite 14 is subjected to predetermined surface reduction processing, that is, a strong surface reduction processing (cladding processing) in which two or more rolls are driven by a driven four-way roll, that is, the multi-wire 12 and the stabilizing material 13 are plastically deformed. After being formed into a rectangular wire, the wire is reheated at a predetermined temperature to precipitate an Nb 3 Al phase from the Nb-Al supersaturated solid solution to form a superconducting wire having a predetermined superconducting wire portion 15.
[0035]
FIG. 2 is a flowchart showing a superconducting wire manufacturing process according to the embodiment, and (a) to (e) in the figure correspond to (a) to (e) in FIG. 1, respectively.
[0036]
FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a surface reduction process using a four-direction roll during the manufacturing process. Reference numeral 21 denotes a pair of drive rolls arranged vertically, and has a rotation center axis running in the lateral direction. Reference numeral 22 denotes a pair of non-driving rolls arranged on the left and right, and has a rotation center axis running in the vertical direction. The peripheral ends of the upper and lower drive rolls 21 are arranged between the left and right non-drive rolls 22 and 22 to press the composite 14 from above and below. The left and right non-driving rolls 22 press the composite 14 from the side surface of the driving roll 21, and as a result, are located with a gap 23 therebetween.
[0037]
As shown in the drawing, by performing a strong surface reduction process such that the stabilizing material 13 enters the gaps 23 between the rolls 21 and 22, the flat matrix wire is stable with the external matrix 9 ′ not only in the width direction but also in the thickness direction. Since the bonding with the chemical material 13 is strengthened and the contact resistance is reduced, the stability is improved.
[0038]
In the case of the illustrated four-direction roll, the stabilizing material 13 has a shape extending in the thickness direction of the wire. Therefore, after the surface reduction processing is completed, the stabilizing material 13 extending in the thickness direction of the wire is crushed by a skin pass that does not reduce the surface, or the stabilizing material 13 is shaved by brushing, sanding, or the like, and then the wire is re-processed at a predetermined temperature. A heat treatment is performed to precipitate an Nb 3 Al phase from the Nb-Al supersaturated solid solution to form a superconducting wire having a predetermined superconducting wire portion 15.
[0039]
【Example】
Hereinafter, an embodiment of the present invention based on FIG. 1 and FIG. 2 will be described.
[0040]
The heating temperature for generating the Nb-Al supersaturated solid solution and the reheating temperature for the Nb 3 Al phase precipitation were uniformly set to 2000 ° C. and 800 ° C., respectively.
[0041]
[Example 1]
1 and 2, a multi-wire 12 having an outer diameter of 1.20 mm is obtained by using a pure Nb sheet 2 having a thickness of 75 μm, a pure Al sheet 3 having a thickness of 25 μm, and a Nb center member 4 having an outer diameter of 2 mm. Was. Next, after heating and quenching to form a Nb-Al supersaturated solid solution, Ga adhering to the surface of the outer matrix 9 'is chemically treated with hydrochloric acid, and then the surface of the outer matrix 9' is polished. By doing so, Ga oxide was removed.
[0042]
Next, an oxygen-free copper pipe having a thickness of 0.1 mm and an outer diameter of 1.5 mm is prepared as a constituent material of the stabilizing material 13, and after the multi-wires 12 are packed therein, the size of the composite 14 is reduced to 1 mm. A predetermined Nb 3 Al compound superconducting wire was produced by subjecting a four-way roll to a surface reduction process so as to have a size of 0.6 mm × 0.59 mm (a surface reduction ratio of 40%), and then performing a reheating process. .
[0043]
[Example 2]
In Example 1, the area of the composite 14 is reduced by a four-direction roll so that the size of the composite 14 becomes 1.6 mm × 0.69 mm (area reduction rate: 30%). Example 3 A predetermined Nb 3 Al compound superconducting wire was manufactured [Example 3].
In Example 1, the area of the composite 14 is reduced by a four-way roll so that the size of the composite 14 becomes 1.6 mm × 0.49 mm (area reduction rate: 50%). A predetermined Nb 3 Al compound superconducting wire was manufactured.
[0044]
[Example 4]
In Example 1, an oxygen-free copper sheet having a thickness of 0.1 mm and a width of 4 mm was used as a constituent material of the stabilizing material 13, and was vertically attached on the multi-wire material 12 so that no gap was formed between joints. The surface of the composite 14 is reduced by a four-way roll so that the size of the composite 14 becomes 1.6 mm × 0.57 mm (area reduction ratio: 40%). A 3 Al compound superconducting wire was manufactured.
[0045]
[Example 5]
In Example 4, a predetermined Nb 3 Al compound-based superconducting wire is manufactured by using a silver sheet having a thickness of 0.01 mm and a width of 4 mm as a constituent material of the stabilizing material 13 and making the other components the same as in Example 4. did.
[0046]
[Comparative Example 1]
1 and 2, a multi-wire 12 having an outer diameter of 1.20 mm is obtained by using a pure Nb sheet 2 having a thickness of 75 μm, a pure Al sheet 3 having a thickness of 25 μm, and a Nb center member 4 having an outer diameter of 2 mm. Was. Next, after heating and quenching to form a Nb-Al supersaturated solid solution, Ga adhering to the surface of the outer matrix 9 'is chemically treated with hydrochloric acid, and then the surface of the outer matrix 9' is polished. By doing so, Ga oxide was removed.
[0047]
Next, an oxygen-free copper pipe having a thickness of 0.1 mm and an outer diameter of 1.5 mm is prepared as a constituent material of the stabilizing material 13, and after the multi-wires 12 are packed therein, the size of the composite 14 is reduced to 1 mm. A processing (skin pass) was performed so as to have a size of 0.6 mm × 0.98 mm (a surface reduction rate of 0%), and then a reheating treatment was performed thereon to produce a predetermined Nb 3 Al compound superconducting wire.
[0048]
[Comparative Example 2]
In Comparative Example 1, the surface of the composite 14 is reduced to 1.6 mm × 0.93 mm (area reduction ratio: 5%), and the other components are made the same as in Comparative Example 1 to obtain a predetermined Nb 3. An Al compound superconducting wire was manufactured.
[0049]
[Comparative Example 3]
In Example 1, the area of the composite 14 was reduced by a four-way roll so that the size of the composite 14 became 1.6 mm × 0.89 mm (area reduction rate: 10%). A predetermined Nb 3 Al compound superconducting wire was manufactured.
[0050]
[Comparative Example 4]
In the first embodiment, the surface of the composite 14 is reduced by a four-way roll so that the size of the composite 14 becomes 1.6 mm × 0.79 mm (reduction ratio of 20%). A predetermined Nb 3 Al compound superconducting wire was manufactured.
[0051]
[Comparative Example 5]
In the first embodiment, the surface of the composite 14 is reduced by a four-way roll so that the size of the composite 14 becomes 1.6 mm × 0.39 mm (a surface reduction rate of 60%). A predetermined Nb 3 Al compound superconducting wire was manufactured.
[0052]
[Table 1]
[0053]
[Table 2]
[0054]
Tables 1 and 2 show the main part configuration, critical current characteristics, and critical current density characteristics of each superconducting wire obtained by the above Examples and Comparative Examples.
[0055]
Although the adhesion between the multi-wire 12 and the stabilizing material 13 can be compared by contact resistance measurement, the effect of the stabilization is as follows: when a current is applied under the operating conditions of the wire (liquid helium temperature; 4.2K), Can be discriminated by whether or not this occurs, and since this point is the most important, comparison was made between critical current characteristics and critical current density characteristics.
[0056]
According to Table 1, it can be seen that Examples (Examples 1 to 5) according to the present invention all show excellent critical current characteristics and critical current density characteristics. Further, the wire rods which are hardly subjected to the surface reduction processing as in Comparative Examples 1 to 4 (Table 2) quench on the low magnetic field side (18 T or less), whereas in Examples 1 to 5 (Table 1) according to the present invention. In each case, quenching does not occur on the low magnetic field side (high current side), and the stability is improved. In particular, it is apparent that in the examples (Examples 1 to 5) in which the surface reduction degree is 30% or more using the present invention, no quench occurs even on the low magnetic field side of 15 T, and the stability is improved. is there. This is only because the adhesion between the multi-wire 12 and the stabilizing material 13 is further improved by performing a strong process to cause the stabilizing material 13 to undergo plastic deformation using a four-direction roll.
[0057]
The critical current characteristics and critical current density characteristics of Example 1-5 shown in Table 1, showed higher than Nb 3 Sn or Nb 3 Al compound superconducting wire which is frequently used at present value, further, the strain tolerance Therefore, a higher-performance superconducting wire can be provided.
[0058]
<Rationale for optimal conditions>
The rectangular wire having a surface reduction of 30% to 50% has excellent critical current characteristics and critical current density characteristics as shown in the examples of Table 1 above, and also has a very good connection between the multi-wire material and the stabilizing material. Good. If the surface reduction is less than 30%, the bonding between the multi-wire material and the stabilizing material is poor, and if the surface reduction processing exceeds 50%, the critical current characteristic is significantly reduced. 50%.
[0059]
Further, the rectangular wire having an aspect ratio of 2.0 to 3.0 is excellent in critical current characteristics and critical current density characteristics as seen in the above-described example, and also has very good bonding between the multi-wire and the stabilizing material. It is. It is possible to process even a rectangular wire having an aspect ratio of 1.5 to 2.0, but it is not preferable because Ic and characteristics are deteriorated as seen in Comparative Examples.
[0060]
<Modification>
As a modified example of the above-described four-direction roll, as shown in FIG. 4, a drive roll 21 and a non-drive roll 22 are sequentially shifted so that the roll peripheral surface is directed to the adjacent roll side surface, and are arranged in a swirl shape. Surface reduction can also be performed with a head roll. Also in this case, by performing a strong process such that the stabilizing material is plastically deformed, it is possible to produce a cotton material having excellent bonding properties between the multi-wire material and the stabilizing material.
[0061]
<How to use, application system, etc.>
The Nb 3 Al-based compound superconducting wire of the present invention is excellent in critical current characteristics and critical current density characteristics, and has good bonding properties of a stabilizer, so that it is used for superconducting magnets for fusion reactors, high-energy particle accelerators, and properties research. It is effective as a wire used for high-field NMR magnets and the like.
[0062]
【The invention's effect】
As described in detail above, according to the Nb 3 Al-based compound superconducting wire and the method of manufacturing the same of the present invention, after heating and quenching the multi-wire, Ga is removed and the stabilizing material is arranged around the multi-wire. For example, by performing a surface reduction process that causes plastic deformation at a surface reduction degree of 30% to 50% and an aspect ratio of 2.0 or more, an external matrix can be formed not only in the width direction but also in the thickness direction of the rectangular wire. Provided is an Nb 3 Al compound-based superconducting wire having high critical current characteristics and critical current density characteristics, and having excellent bonding properties of the stabilizer, because the bonding with the stabilizer is strengthened and the contact resistance is reduced. It became possible.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory view showing an embodiment of a method for producing an Nb 3 Al compound-based superconducting wire of the present invention, in which A is a partially enlarged view.
FIG. 2 is a flowchart illustrating a manufacturing process according to the embodiment of FIG. 1;
FIG. 3 is a cross-sectional view showing an outline of surface reduction processing using a four-direction roll in the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing an outline of surface reduction processing by a turk head according to the present invention.
[Explanation of symbols]
7 Composite Wire 8 Single Wire 9 Nb Tube 9 'External Matrix 10 Cu-Ni Alloy Tube 11 Composite Wire 12 Multi Wire 13 Stabilizer 14 Composite 15 Superconducting Wire 21 Drive Roll 22 Non-Drive Roll
