JP2004342561A

JP2004342561A - Ｎｂ▲３▼Ｓｎ超電導線材

Info

Publication number: JP2004342561A
Application number: JP2003140956A
Authority: JP
Inventors: Takashi Hase; 隆司長谷; Takayoshi Miyazaki; 隆好宮崎; Hiroyuki Kato; 弘之加藤
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2003-05-19
Filing date: 2003-05-19
Publication date: 2004-12-02

Abstract

【課題】構成部材の変形抵抗の違いに起因する割れや断線を防止し、超電導マグネットの素材としての良好な特性を発揮することのできるＮｂ_３Ｓｎ超電導線材を提供する。
【解決手段】任意本数のＮｂまたはＮｂ合金線を埋設したＣｕ−Ｓｎ基合金製線状母材を円柱状に複数束ねた線材群、円筒状のＣｕ−Ｓｎ基合金製外層ケース、円筒状の拡散バリア層、および円筒状の安定化銅を、半径方向中心部から外周側に向って上記の記載順序で配置した複合部材を、伸線加工および熱処理することによって製造されるＮｂ_３Ｓｎ超電導線材において、前記外層ケースは、前記安定化銅とＣｕ−Ｓｎ基合金製線状母材の間の硬度を有するＣｕ基合金によって構成されたものである。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ブロンズ法によって製造されるＮｂ_３Ｓｎ超電導線材に関するものであり、特に高性能核磁気共鳴（ＮＭＲ）分析装置のマグネットに代表される液体ヘリウム浸漬冷却型の超電導マグネット、および冷凍機冷却型の超電導マグネット等に適用される構成素材として有用なＮｂ_３Ｓｎ超電導線材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
超電導物質によって実現される永久電流現象を利用し、電力を消費せずに大電流を流し、超電導線材をコイル状にして磁場を発生させる超電導マグネットは、核磁気共鳴（ＮＭＲ）装置等の各種物性測定装置の他に核融合装置等への応用が進められている。また、ＮＭＲ分析装置は、結晶化できない生体高分子や蛋白質の分子構造を解析できるものとしては唯一の装置であり、ポストゲノム開発を推進するための強力なツールとして位置付けられるものである。そして上記の様な超電導マグネットの構成素材としては、従来からＮｂ_３Ｓｎ超電導線材が代表的なものとして汎用されている。
【０００３】
上記の様なＮｂ_３Ｓｎ超電導線材を製造する方法としては、内部拡散法、チューブ法、インサイチュー（ｉｎ−ｓｉｔｕ）法、粉末法およびブロンズ法等が知られているが、このうち最も代表的な方法は、いわゆるブロンズ法と呼ばれる複合加工法である。またブロンズ法によって製造されるＮｂ_３Ｓｎ線材は、超電導状態を安定な状態に維持するための安定化銅の配置状態によって、外部安定化型線材と内部安定化型線材に大きく分けることができる。これら外部安定化型線材と内部安定化型線材は、超電導特性や加工特性において夫々特徴があり、マグネットに巻回される場合には、その位置（マグネットの外層部若しくは内層部）によって使い分けされている。
【０００４】
図１は、ブロンズ法によって製造される外部安定化型Ｎｂ_３Ｓｎ超電導線材の断面構造を模式的に示した説明図であり、図中１はＮｂ線（またはＮｂ合金線）、２はＣｕ−Ｓｎ基合金製線状母材、３は外層ケース、４は拡散バリア層、５は安定化銅、６は一次スタック材、７は複合部材を夫々示す。
【０００５】
まず図１に示す様に、Ｃｕ−Ｓｎ基合金製線状母材２に複数（この図では７）のＮｂ線１を埋設し、このＣｕ−Ｓｎ基合金製線状母材２を断面減少加工してから複数束ねて円柱状の線材群とし、筒状の外層ケース３内に挿入し、更にこの外側に拡散バリア層４および安定化銅５を配置する。
【０００６】
前記外層ケース３は、Ｓｎの供給を補うために配置されるものであり（後記内層ケース８についても同じ）、例えば母材２と同様のＣｕ−Ｓｎ基合金が用いられている。また、前記拡散バリア層４は、Ｎｂ_３Ｓｎ生成のための拡散熱処理時にＳｎの外方への拡散を抑制する機能を発揮するものであり、例えばＮｂやＴａをシート状にしたものを外層ケース３の外周に巻回されることによって構成される。更に、安定化銅５は、Ｎｂ_３Ｓｎ超電導線材の安定化材として配置されるものであり、例えば無酸素銅からなるものである。こうした外部安定化Ｎｂ_３Ｓｎ超電導線材の構成としては、例えば特許文献１に開示されている。
【０００７】
図２は内部安定化型Ｎｂ_３Ｓｎ超電導線材の断面構造を模式的に示した説明図であり、この構成では図１に示したのと同様の一次スタック材６を複数束ねて円筒状の線材群とし、この線材群を外層ケース３ａと内層ケース８の間に挿入し、更に断面中央部（即ち、内層ケース８内）に線・棒状の安定化銅５ａを配置し、内層ケース８と安定化銅５ａの間に拡散バリア層４を配置して構成するものである。こうした外部安定化Ｎｂ_３Ｓｎ超電導線材の技術として、例えば特許文献２に提案されている。
【０００８】
図１、２に示す様に構成された素材（複合部材７）を伸線加工（静水圧押出加工や引抜き加工）および熱処理を施して、前記Ｃｕ−Ｓｎ基合金製線状母材２中のＳｎとＮｂ線１を反応させることによって、Ｎｂ線１の表面近傍（この場合には、Ｃｕ−Ｓｎ基合金製線状母材２とＮｂ線１の界面）にＮｂ_３Ｓｎを生成させるものである。
【０００９】
ブロンズ法によるＮｂ_３Ｓｎ超電導線材では、いずれの構成を採るにしても、構成部材であるＣｕ−Ｓｎ基合金やＮｂ（またはＮｂ基合金）の変形抵抗は大きく、安定化銅の変形抵抗は小さい。例えば、Ｃｕ−Ｓｎ基合金製線状母材２は、ＳｎのＮｂへの拡散の促進を図るという観点から、１３〜１５質量％のＳｎを含有するものが用いられており、また外層ケース３，３ａおよび内層ケース８についても前記母材２と同様のＣｕ−Ｓｎ基合金が用いられているのであるが、Ｓｎの含有量が多いので変形抵抗は大きなものとなる。
【００１０】
こうした構成部材間の変形抵抗の差が大きいことから、静水圧押出（特に、押出比が２５以上の場合）や引抜き加工時に内部で大きな残留応力が生じ、加工時間にＮｂ線やＮｂ合金線の断線や割れ等が発生することがある。こうした事態が発生すると、超電導電流を線材全長に亘って良好に流すことが困難になり、物性評価用の浸漬型或は冷凍機冷却型の超電導マグネットの素材として使用できなくなる。
【００１１】
また、上記のような外観で明白に認識できる大きな欠陥が発生しなくても、内部応力の差によって外観上では認識できない小さな欠陥が生じることもある。こうした欠陥としては、例えば、Ｎｂ線（またはＮｂ合金線）の直径が線材長手方向で変動するソーセージング現象が挙げられるが、こうした欠陥が生じた場合には、ＮＭＲマグネットのような時間的安定性が非常に高い磁場が要求される超電導マグネットには使用できないという問題が顕在化する。
【００１２】
ブロンズ法Ｎｂ_３Ｓｎ超電導線材における構成要素の加工性の違いによる変形の異常を防止する試みは、これまでにも様々提案されており、例えば補強部材としてのＴａ層やＴａ合金層を有する線材の場合には、Ｃｕ−Ｓｎ基合金と前記Ｔａ層やＴａ基合金との間のビッカース硬度を有する金属や中間層を配置することによって、変形抵抗の差を緩和するという技術も提案されている（例えば、特許文献３）。
【００１３】
こうした技術においても、変形抵抗の緩和という目的は達成されたのであるが、場合によっては若干の不都合も生じることがある。即ち、この技術で中間層として用いられているのは、１５００℃以上の高い温度の融点を有するＮｂ，Ｖ，Ｔｉなどの金属若しくはこれらを９０質量％以上含む合金であるので、こうした金属若しくは合金を中間層として用いても、静水圧押出時にその条件を厳密に設定しない限り、Ｃｕ−Ｓｎ基合金が表面に露出している一次スタック材と十分に金属結合しない事態が生じることもあり、超電導特性の低下を招くことがある。
【００１４】
【特許文献１】
特開２００１−３５７７３４号公報実施例等
【特許文献２】
特開平８−１３８４６０号公報実施例等
【特許文献３】
特開平１０−２５５５６３号公報特許請求の範囲等
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の様な従来技術における課題を解決する為になされたものであって、その目的は、構成部材の変形抵抗の違いに起因する割れや断線を防止し、超電導マグネットの素材としての良好な特性を発揮することのできるＮｂ_３Ｓｎ超電導線材を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決することのできた本発明のＮｂ_３Ｓｎ超電導線材とは、任意本数のＮｂまたはＮｂ合金線を埋設したＣｕ−Ｓｎ基合金製線状母材を円柱状に複数束ねた線材群、円筒状のＣｕ−Ｓｎ基合金製外層ケース、円筒状のバリア層および円筒状の安定化銅を、半径方向中心部から外周側に向って上記の記載順序で配置された複合部材を、伸線加工および熱所することによって製造されるＮｂ_３Ｓｎ超電導線材において、前記外層ケースは、前記安定化銅とＣｕ−Ｓｎ基合金製線状母材の間の硬度を有するＣｕ基合金によって構成されたものである点に要旨を有するものである（外部安定化型Ｎｂ_３Ｓｎ超電導線材）。
【００１７】
この超電導線材において、前記外層ケースを構成するＣｕ基合金としては、０．５〜９質量％のＳｎを含むＣｕ−Ｓｎ系合金、５〜３８質量％のＺｎを含むＣｕ−Ｚｎ系合金または１〜９質量％のＡｌを含むＣｕ−Ａｌ系合金等が好ましいものとして挙げられる。
【００１８】
また、本発明の上記目的は、棒・線状の安定化銅、円筒状の拡散バリア層、円筒状の内層ケース、任意本数のＮｂまたはＮｂ合金線を埋設したＣｕ−Ｓｎ基合金製線状母材を円筒状に複数束ねた線材群、更に円筒状のＣｕ−Ｓｎ基合金製外層ケースを、半径方向中心部から外周側に向って上記の記載順序で配置された複合部材を、伸線加工および熱所することによって製造されるＮｂ_３Ｓｎ超電導線材において、前記内層ケースは、前記安定化銅とＣｕ−Ｓｎ基合金製線状母材の間の硬度を有するＣｕ基合金によって構成されたものであるようなＮｂ_３Ｓｎ超電導線材（内部安定化型Ｎｂ_３Ｓｎ超電導線材）によっても達成される。
【００１９】
この超電導線材において、前記内層ケースを構成するＣｕ基合金としては、０．５〜９質量％のＳｎを含むＣｕ−Ｓｎ系合金、５〜３８質量％のＺｎを含むＣｕ−Ｚｎ系合金または１〜９質量％のＡｌを含むＣｕ−Ａｌ系合金等が好ましいものとして挙げられる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、上記目的を達成する為に様々な角度から検討した。その結果、Ｃｕ−Ｓｎ基合金製母材（Ｃｕ−Ｓｎ基合金マトリックス）と安定化銅との間の硬度を有するＣｕ基合金を中間層（即ち、図１の外層ケース３または図２の内層ケース）として配置することによって、上記目的に適うＮｂ_３Ｓｎ超電導線材が実現できることを見出し、本発明を完成した。
【００２１】
本発明の構成によれば、上記の様に硬度を調整したＣｕ基合金が緩衝材としての役割を果たし、線材内部の応力分布の不均一性が緩和され、押し出しや引き抜き等の塑性加工時に芯形状や配列が整った健全加工ができるのである。また中間層のＣｕ基合金のＣｕ濃度が６０％以上であれば、Ｃｕを有する一次スタック材の表面のＣｕ−Ｓｎ基合金との金属結合も十分に行われ、減面加工時の一次スタック材界面割れ（一次スタック材同士が結合しない状態）も防止できたのである。
【００２２】
本発明の中間層は、Ｃｕ−Ｓｎ基合金製母材と安定化銅との硬度の大小関係を規定するものであり、この中間層は必然的にＣｕ−Ｓｎ基合金製母材の硬度よりも小さく、安定化銅の硬度よりも大きなものとなる。またＣｕ−Ｓｎ基合金製母材に埋設されるＮｂ線またはＮｂ合金線の硬度は該母材とほぼ同程度であるので、Ｎｂ線またはＮｂ合金線と中間層との硬度の大小関係については、厳密に規定しなくても本発明の目的が達成されることになる。尚、本発明で用いるＣｕ−Ｓｎ基合金製母材は、基本的にはＳｎを１３〜１５％質量％含むＣｕ合金であるが、必要によって少量（例えば０．３質量％程度）のＴｉを含有したものも用いることができる。
【００２３】
本発明の超電導線材において、中間層の素材として用いるＣｕ基合金としては、０．５〜９質量％のＳｎを含むＣｕ−Ｓｎ系合金、５〜３８質量％のＺｎを含むＣｕ−Ｚｎ系合金、または１〜９質量％のＡｌを含むＣｕ−Ａｌ系合金等が好ましいものとして挙げられる。これらの合金は、展伸性に優れ、線材加工率が増加しても、加工硬化幅が小さい。従って、こうした合金を中間層として用いれば、任意の線材加工率によっても、硬度における「安定化銅＜中間層＜Ｃｕ−Ｓｎ基合金マトリックス」という関係は維持され、継続して健全に塑性加工を行うことができるのである。
【００２４】
本発明において中間層として、Ｓｎを含まないものを用いた場合には、Ｃｕ―Ｓｎ基合金が他のＳｎを含まないＣｕ基合金に置き換わることによって、線材に含有される総Ｓｎ量は減少することになるが、Ｎｂ_３Ｓｎ結晶を生成する熱処理でＳｎが拡散する距離は、一次スタック材の１単位程度（約２０μｍ）であるので、置換前の該当部分におけるＣｕ−Ｓｎ基合金中のＳｎがＮｂ_３Ｓｎ生成に寄与する率は小さく、Ｓｎを含まないＣｕ合金に置換されても、Ｎｂ_３Ｓｎの生成量の低下はほとんど無視できる程度である。またＳｎは高価であるので、Ｃｕ−Ｓｎ基合金よりも安価なＣｕ−Ｚｎ基合金やＣｕ−Ａｌ基合金に置換することによって、製造コストを低減できるという利点もある。
【００２５】
また、中間層として、０．５〜９質量％のＳｎを含有するＣｕ−Ｓｎ基合金を用いた場合には、Ｎｂ_３Ｓｎ生成量の低下を極力防止できることになる。尚、このＣｕ基合金には、必要によって０．０１〜０．５質量％程度のＰを添加することも有用であり、こうした中間層をも用いることによって、臨界電流密度の低下を防止できるとともに、最終成形後に低温焼きなましを行うことにより強度を高めることもできるのである。
【００２６】
以下、本発明を実施例によって更に詳細に説明するが、下記実施例は本発明を限定する性質のものではなく、前・後記の趣旨に徴して設計変更することはいずれも本発明の技術的範囲に含まれるものである。
【００２７】
【実施例】
比較例１
溶解鋳造して製作したＣｕ−１４％Ｓｎ−０．３％（「質量％」の意味、以下同じ）Ｔｉインゴットを均一化のための熱処理を施した後、外径：６７ｍｍ、長さ：２００ｍｍの円柱状に切り出し、直径：１５ｍｍの孔開加工を７箇所行って夫々の孔に純Ｎｂ棒を挿入し、一次スタックビレットを組み立てた。その後、該ビレットを静水圧押し出し加工し、更に冷間引き抜き加工を施して対片間距離が２．２ｍｍの六角断面の一次スタック材に成形加工した（前記図２参照）。
【００２８】
次いで、外径：２３ｍｍの内部安定化無酸素銅の外周に、厚さ：２ｍｍ程度にＮｂシートを巻回したものを前記した組成のＣｕ−Ｓｎ基合金からなる外径：３１ｍｍ、内径：２７ｍｍ、長さ：２００ｍｍの内層ケース内に挿入し、これを前記同一組成のＣｕ−Ｓｎ基合金からなる外径：６７ｍｍ、内径：５９ｍｍ、長さ：２００ｍｍの外層ケース内断面中央に配置した。
【００２９】
この外層ケースと前記内層ケースとの間に前記一次スタック材を挿入することによって、二次スタックビレットを組み立てた。この二次スタックビレットを６５０℃で１時加熱した後、各構成部材（内部安定化銅、Ｃｕ−Ｓｎ基合金マトリックス、Ｎｂ芯、内層ケースおよび外層ケース）のビッカース硬度Ｈｖを各構成部材につき最低４箇所で測定し、平均値を算出した。その測定結果を、後記表１に示す。
【００３０】
その結果、安定化銅のビッカース硬度Ｈｖは４０という低い値であるのに対して、その他の部材は１５０〜１７０の値となっている。また内層ケースおよび外層ケースは、マトリックスと同じ組成のＣｕ−Ｓｎ合金であるため、ほぼ同じ硬度となっている。この二次スタックビレットを再度６５０℃に加熱し、静水圧押し出しにより外径：１３ｍｍに加工したところ（押し出し比：２６．６）、周期的に外径が変化する異常が外観上認められた。
【００３１】
引き続いて、引き抜き加工によって減面加工を施し、その途中で４７５℃で１時間の中間焼鈍を施しながら、安定化銅、Ｃｕ−Ｓｎ基合金マトリックス、Ｎｂ芯および内層ケース（Ｃｕ−１４％Ｓｎ−０．３％Ｔｉ）のビッカース硬度Ｈｖの測定を行った。その測定結果を、図３に示す。尚、図３の横軸の冷間加工率は加工材の直径をＸとしたときに下記（１）式によって定義されるものである。
冷間加工率＝｛（１３ｍｍ）^２−（Ｘｍｍ）^２｝／（１３ｍｍ）^２‥（１）
【００３２】
各構成部材の硬度は中間焼鈍によって低下するが、その後の減面加工によって部材が加工硬化するので硬度が上昇している。即ち、硬度は上昇加工を繰り返して変化している。
【００３３】
安定化銅の硬度（◇）が、Ｈｖ１００程度以下の低い値であるのに対して、Ｃｕ−Ｓｎ基合金マトリックスの硬度（□）は、およそＨｖ１５０〜２７０の範囲で上下しており、Ｎｂ芯の硬度（△）は、およそＨｖ１５０〜１８０℃の範囲で変化している（後記実施例１および実施例４においても安定化銅、Ｃｕ−Ｓｎ基合金マトリックス、Ｎｂ芯のビッカース硬度を測定しているが、この比較例１と同じ結果が得られている）。
【００３４】
また、内層ケースはＣｕ−Ｓｎマトリックスとほぼ同じ組成であるので、その硬度（×）はほぼＣｕ−Ｓｎ基合金マトリックスの硬度とほぼ同じである。その後、外径１．３０ｍｍまで減面加工を行い、ピッチ：１５０ｍｍでツイストを施して、前記図２に示した断面構造を有する安定化Ｎｂ_３Ｓｎ超電導線材を得た。得られた線材の縦断面および横断面を観察したところ、Ｎｂ芯が部分的に切断している箇所が認められた。
【００３５】
加工した線材を長さ：５００ｍｍに切り出し、内径：３０ｍｍのコイル状に巻いて７００℃×９６時間の熱処理を行った。０．０１μＶ／ｍｍの電界基準を用いたときの、温度４．２Ｋ、外部磁場１８Ｔにおける臨界電流を線材の横断面で除して得られる非銅部の臨界電流密度（ｎｏｎ−ＣｕＪｃ）は５５Ａ／ｍｍ^２であり、実用レベルの１２０Ａ／ｍｍ^２を大きく下回っていた。また０．１〜１．０μＶ／ｃｍの範囲におけるｎ値を評価したところ、１２であり低い値に留まっていた。尚、上記ｎ値とは、超電導状態から常電導状態への転移の鋭さを示す量であり、この値はフイラメント（Ｎｂ芯）の均一加工の度合いを反映し、大きな方が特性的に優れていると言われているものである。
【００３６】
比較例２
比較例１と同様にして、対辺間距離が２．２ｍｍの六角一次スタック材を成形加工し、それらを束ねて比較例１と同一組成のＣｕ−Ｓｎ基合金からなる外径：５６ｍｍ、内径：５０ｍｍ、長さ：２００ｍｍの外層ケースに挿入し、その外側に厚さ：２ｍｍ程度にＮｂシートを巻回したものを、外径：６７ｍｍ、内径：５９ｍｍ、長さ：２００ｍｍの外部安定化材無酸素銅のケース（外層ケース）に挿入して二次スタックビレットを組み立てた。この二次スタックビレットを６５０℃で１時加熱した後、各構成部材のビッカース硬度Ｈｖを測定し平均値を算出した。その測定結果を、後記表１に示す。その結果、上記比較例と同様に、外層ケースの硬度は、ほぼＣｕ−Ｓｎ基合金マトリックスと同じであり、安定化銅とは１００以上の大きな差があることがわかる。
【００３７】
この二次スタックビレットを再度６５０℃に加熱し、静水圧押し出しにより外径：１３ｍｍに加工したところ（押し出し比：２６．６）、周期的に外径が変化する異常が外観上認められた。継続して減面加工を行った後、ピッチ：１５０ｍｍでツイストを施して、前記図１に示した断面構造を有する外径：１．３ｍｍの外部安定化Ｎｂ_３Ｓｎ超電導線材に加工した。得られた線材の縦断面および横断面を観察したところ、Ｎｂ芯が部分的に切断している箇所が認められた。
【００３８】
加工した線材を比較例１と同様にして切り出し、コイル状に巻いて熱処理を行った。０．０１μＶ／ｍｍの電界基準を用いたときの、温度４．２Ｋ、外部磁場１８Ｔにおける臨界電流を線材の横断面で除して得られる非銅部の臨界電流密度（ｎｏｎ−ＣｕＪｃ）は７８Ａ／ｍｍ^２であり、実用レベルの１２０Ａ／ｍｍ^２を大きく下回っていた。また０．１〜１．０μＶ／ｃｍの範囲におけるｎ値を評価したところ、１１であり低い値に留まっていた。
【００３９】
比較例３
比較例１と同様にして、対辺間距離が２．２ｍｍの六角一次スタック材を成形加工した。次いで、外径：２３ｍｍの内部安定化無酸素銅の外側に、厚さ：２ｍｍ程度にＮｂシートを巻回したものを外径：３１ｍｍ、内径：２７ｍｍのＺｒ内層ケース内に挿入し、それを比較例１と同様にしてＣｕ−Ｓｎ基合金からなる外径：６７ｍｍ、内径：５９ｍｍ、長さ：２００ｍｍの外層ケース内断面中央に配置した。
【００４０】
次に、Ｃｕ−Ｓｎ基合金からなる外層ケースとＺｒ内層ケースとの間に前記一次スタック材を挿入することによって、二次スタックビレットを組み立てた。この二次スタックビレットを６５０℃で１時加熱した後、各構成部材のビッカース硬度Ｈｖを測定し平均値を算出した。その測定結果を、後記表１に示す。その結果、Ｚｒ内層ケースの硬度（Ｈｖ６２）は、安定化銅（Ｈｖ４１）、Ｃｕ−Ｓｎ基合金（Ｈｖ１６３）、外層ケースおよびＮｂ芯（Ｈｖ１５４）の間になっている。この二次スタックビレットを再度６５０℃に加熱し、静水圧押し出しにより比較例１と同様に外径：１３ｍｍに加工したところ（押し出し比：２６．６）、外観上は異常は認められなかった。
【００４１】
引続き、引き抜き加工によって減面加工を施し、途中で、４７５℃で１時間の中間焼鈍を施しながら、安定化銅、Ｃｕ−Ｓｎ基合金マトリックス、Ｎｂ芯およびＺｒ内層ケースのビッカース硬度Ｈｖの測定を行った。その結果を、Ｚｒ内層ケースの硬度は、安定化銅の硬度と、Ｃｕ−Ｓｎ基合金マトリックスやＮｂ芯の硬度との中間の値を示していた。その後、外径：１．３０ｍｍまで減面加工を行った後、ピッチ：１５０ｍｍでツイストを施して、内部安定化Ｎｂ_３Ｓｎ線材に加工した。得られた線材の縦断面および横断面を観察したところ、内層ケースとＣｕ−Ｓｎ基マトリックスの界面、内層ケースの周囲の隣接する一次スタック材同士の界面で割れ異常が生じていることが判明した。
【００４２】
加工した線材を長さ：５００ｍｍに切り出し、内径：３０ｍｍのコイル状に巻いて、７００℃×９６時間の熱処理を行った。０．０１μＶ／ｍｍの電界基準を用いたときの、温度４．２Ｋ、外部磁場１８Ｔにおける臨界電流を線材の横断面で除して得られる非銅部の臨界電流密度（ｎｏｎ−ＣｕＪｃ）は８２Ａ／ｍｍ^２であり、実用レベルの１２０Ａ／ｍｍ^２を大きく下回っていた。また０．１〜１．０μＶ／ｃｍの範囲におけるｎ値を評価したところ、１４であり低い値に留まっていた。
【００４３】
実施例１
比較例１と同様にして、対辺間距離が２．２ｍｍの六角一次スタック材を成形加工した。次いで、外径：２３ｍｍの無酸素銅の外側に、厚さ：２ｍｍ程度にＮｂシートを巻回したものをＣｕ−１０％ＺｎのＣｕ−Ｚｎ基合金からなる外径：３１ｍｍ、内径：２７ｍｍ、長さ：２００ｍｍの内層ケース内に挿入し、それを比較例１と同様にしてＣｕ−Ｓｎ基合金からなる外径：６７ｍｍ、内径：５９ｍｍ、長さ：２００ｍｍの外層ケース内断面中央に配置した。
【００４４】
次に、Ｃｕ−Ｓｎ基合金からなる外層ケースとＣｕ−Ｚｒ基合金からなる内層ケースとの間に前記一次スタック材を挿入することによって、二次スタックビレットを組み立てた。この二次スタックビレットを６５０℃で１時加熱した後、各構成部材のビッカース硬度Ｈｖを測定し平均値を算出した。その測定結果を、後記表１に示す。その結果、Ｃｕ−Ｚｒ基合金内層ケースの硬度（Ｈｖ７０）は、安定化銅（Ｈｖ４１）、Ｃｕ−Ｓｎ基合金（Ｈｖ１６１）、Ｃｕ−Ｓｎ基合金外層ケース（Ｈｖ１６７）およびＮｂ芯（Ｈｖ１５３）の間になっている。この二次スタックビレットを再度６５０℃に加熱し、静水圧押し出しにより比較例１と同様に外径：１３ｍｍに加工したところ（押し出し比：２６．６）、外観上は異常は認められず、健全に押し出しことができた。
【００４５】
引続き、引き抜き加工によって減面加工を施し、途中で４７５℃×１時間の中間焼鈍を施しながら、安定化銅、Ｃｕ−Ｓｎ基合金マトリックス、Ｎｂ芯および内層ケース（Ｃｕ−１０％Ｚｎ）のビッカース硬度Ｈｖの測定を行った。その結果を図６に併記する。
【００４６】
Ｃｕ−Ｓｎ基合金内層ケースの硬度（●）は、中間焼鈍の前後で大きく変化するが、安定化銅の硬度（◇）と、Ｃｕ−Ｓｎ基合金マトリックスの硬度（□）やＮｂ芯の硬度（△）の間の値を有している。
【００４７】
その後、外径：１．３０ｍｍまで減面加工を行った後、ピッチ：１５０ｍｍでツイストを施して、前記図２に示した内部安定化Ｎｂ_３Ｓｎ超電導線材に加工した。得られた線材の縦断面および横断面を観察したところ、内層ケースとＣｕ−Ｓｎ基マトリックスの界面、内層ケース近傍の隣接する一次スタック材同士の界面で割れ異常は見られず健全に加工できていることが判明した。
【００４８】
加工した線材を長さ：５００ｍｍに切り出し、内径：３０ｍｍのコイル状に巻いて、７００℃×９６時間の熱処理を行った。０．０１μＶ／ｍｍの電界基準を用いたときの、温度４．２Ｋ、外部磁場１８Ｔにおける臨界電流を線材の横断面で除して得られる非銅部の臨界電流密度（ｎｏｎ−ＣｕＪｃ）は１４０Ａ／ｍｍ^２であり、実用レベルの１２０Ａ／ｍｍ^２を上回っていた。また０．１〜１．０μＶ／ｃｍの範囲におけるｎ値を評価したところ、３６であり高い値が得られていた。
【００４９】
実施例２
実施例１の外層ケースをＣｕ−Ｓｎ基合金からＣｕ−Ｚｎ基合金に置き換えた二次スタックビレットを準備し、６５０℃×１時間加熱した後、各構成部材のビッカース硬度Ｈｖを測定し平均値を算出した。その測定結果を、後記表１に示す。次いで、実施例１と同じ条件で静水圧押し出ししたところ、外観上は異常は認められず、健全に押し出しことができた。
【００５０】
引続き、実施例１と同様にして減面加工を施して線材に加工し、前記図２に示したような内部安定化Ｎｂ_３Ｓｎ超電導線材を作製した。加工後の線材の横断面を観察したところ、外層ケースや内層ケースとＣｕ−Ｓｎ基合金マトリックスの界面、内層ケース近傍の隣接する一次スタック材同士の界面では割れは見られず、健全に加工できていることが判明した。
【００５１】
加工した線材を用い実施例１と同様にして超電導特性を評価した。その結果、０．０１μＶ／ｍｍの電界基準を用いたときの、温度４．２Ｋ、外部磁場１８Ｔにおける臨界電流を線材の横断面で除して得られる非銅部の臨界電流密度（ｎｏｎ−ＣｕＪｃ）は１３２Ａ／ｍｍ^２であり、実施例１と比べてやや低下したものの、実用レベルの１２０Ａ／ｍｍ^２を上回っていた。また０．１〜１．０μＶ／ｃｍの範囲におけるｎ値を評価したところ、４２であり実施例１よりも高い値が得られていた。
【００５２】
実施例３
比較例２の外層ケースをＣｕ−Ｓｎ基合金からＣｕ−Ｚｎ基合金に置き換えた二次スタックビレットを準備し、６５０℃×１時間加熱した後、各構成部材のビッカース硬度Ｈｖを測定し平均値を算出した。その測定結果を、後記表１に示す。次いで、比較例２と同じ条件で静水圧押し出ししたところ、外観上は異常は認められず、健全に押し出しことができた。
【００５３】
引続き、比較例２と同様にして減面加工を施して線材に加工し、前記図１に示したような外部安定化Ｎｂ_３Ｓｎ超電導線材を作製した。加工後の線材の横断面を観察したところ、外層ケースとＣｕ−Ｓｎ基合金マトリックスの界面、外層ケース近傍の隣接する一次スタック材同士の界面では割れは見られず、健全に加工できていることが判明した。
【００５４】
加工した線材を用い実施例１と同様にして超電導特性を評価した。その結果、０．０１μＶ／ｍｍの電界基準を用いたときの、温度４．２Ｋ、外部磁場１８Ｔにおける臨界電流を線材の横断面で除して得られる非銅部の臨界電流密度（ｎｏｎ−ＣｕＪｃ）は１５１Ａ／ｍｍ^２であり、比較例２と比べて高い値が得られていた。また０．１〜１．０μＶ／ｃｍの範囲におけるｎ値を評価したところ、３０であり比較例１よりも高い値が得られていた。
【００５５】
上記実施例１〜３は、内層ケースおよび外層ケースにＣｕ−１０％Ｚｎを用いたものであるが、Ｚｎ濃度としては０．５質量％以上で３８質量％以下の範囲内であれば許容され、そのときのビッカース硬度は、安定化銅の硬度とＣｕ−Ｓｎ基合金マトリックスおよびＮｂ芯の硬度との間の値となり、全工程において健全な減面加工が実施できる。
【００５６】
実施例４
実施例１の内層ケースをＣｕ−Ｚｎ基合金からＣｕ−５％Ｓｎ基合金に置き換えた二次スタックビレットを準備し、６５０℃×１時間加熱した後、各構成部材のビッカース硬度Ｈｖを測定し平均値を算出した。その測定結果を、後記表１に示す。次いで、実施例１と同じ条件で静水圧押し出ししたところ、外観上は異常は認められず、健全に押し出しことができた。
【００５７】
引続き、実施例１と同様にして減面加工を施して線材に加工し、途中で４７５℃×１時間の中間焼鈍を施しながら、安定化銅、Ｃｕ−Ｓｎ基合金マトリックス、Ｎｂ芯および内層ケース（Ｃｕ−５％Ｓｎ）のビッカース硬度Ｈｖを測定した。その測定結果を図６に併記する。
【００５８】
Ｃｕ−Ｚｎ基合金内層ケースの硬度（■）は、中間焼鈍の前後で大きく変化するが、安定化銅の硬度（◇）と、Ｃｕ−Ｓｎ基合金マトリックスの硬度（□）やＮｂ芯の硬度（△）の間の値を有している。
【００５９】
その後、外径：１．３０ｍｍまで減面加工を行った後、ピッチ：１５０ｍｍでツイストを施して、引き続き実施例１と同様にして減面加工を行い、前記図２に示した内部安定化Ｎｂ_３Ｓｎ超電導線材に加工した。得られた線材の縦断面および横断面を観察したところ、内層ケースとＣｕ−Ｓｎ基マトリックスの界面、内層ケース近傍の隣接する一次スタック材同士の界面で割れ異常は見られず健全に加工できていることが判明した。
【００６０】
加工した線材を用い実施例１と同様にして超電導特性を評価した。その結果、０．０１μＶ／ｍｍの電界基準を用いたときの、温度４．２Ｋ、外部磁場１８Ｔにおける臨界電流を線材の横断面で除して得られる非銅部の臨界電流密度（ｎｏｎ−ＣｕＪｃ）は１４８Ａ／ｍｍ^２であり、比較例１比べて高い値が得られていた。また０．１〜１．０μＶ／ｃｍの範囲におけるｎ値を評価したところ、３３であり比較例１よりも高い値が得られていた。
【００６１】
尚、この実施例４では、内層ケースとしてＣｕ−５％Ｓｎを用いたが、０．５〜９質量％のＳｎを含有するＣｕ−Ｓｎ基合金であれば、内層ケースの硬度は安定化銅の硬度とＣｕ−ＳｎマトリックスおよびＮｂ芯の硬度との中間の値となり、全工程において健全な減面加工が実施できる。
【００６２】
また、上記内層ケースや外層ケース等の中間層として、第三元素を添加した０．５〜９質量％のＳｎを含有するＣｕ−Ｓｎ基合金を用いることもできる。例えば、０．０１〜０．５質量％のＰを添加しても、Ｃｕ−Ｓｎ基合金の硬度は、安定化銅とＣｕ−Ｓｎ基合金マトリックスおよびＮｂ芯の硬度との中間の値となり、Ｎｂ_３Ｓｎ生成の熱処理後に３００℃程度の温度で焼きなましを施してＰを析出することによって線材の強度を向上させることができる。
【００６３】
その他、１〜９質量％のＡｌを含むＣｕ−Ａｌ基合金を中間層として用いても、同様にして健全な減面加工が実施できた。
【００６４】
【表１】

【００６５】
【発明の効果】
本発明は以上の様に構成されており、ブロンズ法Ｎｂ_３Ｓｎ線材の押し出しや引き抜き加工を精度良く行うことが可能になり、高品質のＮｂ_３Ｓｎ超電導線材を歩留まり高く製造することが可能となる。このことから、生体高分子や蛋白質の構造解析に威力を発揮するＮＭＲ分析装置や各種物性評価用の浸漬冷却型或は無冷媒超電導マグネット性能向上や製造費用低減の効果が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ブロンズ法によって製造される内部安定化Ｎｂ_３Ｓｎ超電導線材の断面構造を模式的に示した説明図である。
【図２】ブロンズ法によって製造される外部安定化Ｎｂ_３Ｓｎ超電導線材の断面構造を模式的に示した説明図である。
【図３】比較例１、実施例１、４で作製した線材における各構造部材のビッカース硬度の冷間加工率依存性を示すグラフである。
【符号の説明】
１Ｎｂ線
２Ｃｕ−Ｓｎ基合金製線状母材
３拡散バリヤー層
４安定化銅
５安定化銅
６一次スタック材
７複合部材

Claims

任意本数のＮｂまたはＮｂ合金線を埋設したＣｕ−Ｓｎ基合金製線状母材を円柱状に複数束ねた線材群、円筒状のＣｕ−Ｓｎ基合金製外層ケース、円筒状の拡散バリア層、および円筒状の安定化銅を、半径方向中心部から外周側に向って上記の記載順序で配置した複合部材を、伸線加工および熱処理することによって製造されるＮｂ_３Ｓｎ超電導線材において、前記外層ケースは、前記安定化銅とＣｕ−Ｓｎ基合金製線状母材の間の硬度を有するＣｕ基合金によって構成されたものであることを特徴とするＮｂ_３Ｓｎ超電導線材。
前記外層ケースを構成するＣｕ基合金は、０．５〜９質量％のＳｎを含むＣｕ−Ｓｎ系合金、５〜３８質量％のＺｎを含むＣｕ−Ｚｎ系合金または１〜９質量％のＡｌを含むＣｕ−Ａｌ系合金のいずれかである請求項１に記載のＮｂ_３Ｓｎ超電導線材。
棒・線状の安定化銅、円筒状の拡散バリア層、円筒状の内層ケース、任意本数のＮｂまたはＮｂ合金線を埋設したＣｕ−Ｓｎ基合金製線状母材を円筒状に複数束ねた線材群、更に円筒状のＣｕ−Ｓｎ基合金製外層ケースを、半径方向中心部から外周側に向って上記の記載順序で配置された複合部材を、伸線加工および熱処理することによって製造されるＮｂ_３Ｓｎ超電導線材において、前記内層ケースは、前記安定化銅とＣｕ−Ｓｎ基合金製線状母材の間の硬度を有するＣｕ基合金によって構成されたものであることを特徴とするＮｂ_３Ｓｎ超電導線材。
前記内層ケースを構成するＣｕ基合金は、０．５〜９質量％のＳｎを含むＣｕ−Ｓｎ系合金、５〜３８質量％のＺｎを含むＣｕ−Ｚｎ系合金または１〜９質量％のＡｌを含むＣｕ−Ａｌ系合金のいずれかである請求項３に記載のＮｂ_３Ｓｎ超電導線材。