JP2007165151A - Nb3Sn超電導線用芯線、Nb3Sn超電導線及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】Nb管1の内側に、Cu被覆2を有するSn−Zn合金棒3を収容する一方、Nb管1の外側に、Cu層4を形成して単芯線を作製し、単芯線を細線化して定尺に切り分けた後、Cu管とCu芯との間に、単芯線の複数本を分散させ複合化して多芯線とし、細線化後、熱処理を施してSnとNbを反応させNb3Snを生成させる。
【選択図】図1
Description
NbあるいはNb合金コアとCu−Sn(ブロンズ)マトリックスを複合化して極細多芯化し、熱処理を施してブロンズ中のSnをNbコアヘ拡散させてNb3Snとする製法である。最終的なフィラメント径を均一なサブミクロンオーダーとすることも可能で、交流損失の低減に有利である(例えば、特許文献1参照)。
Cuマトリックス内に多数の極細Nbコアを配置するとともに、Snコアを線材中心あるいは複数に分散させて配置させ、熱処理を施してSnをCuマトリックスを介してNbコアに拡散させてNb3Snとする製法である。臨界電流密度(Jc)の高い線を低コストで製造可能である(例えば、特許文献2参照)。
Nb粉末とSn粉末を混合し、Nbパイプ等に充填して単芯線とし、複数束ねて複合化した多芯線とした後、熱処理を施してSnとNbを反応させてNb3Snとする製法である(例えば、特許文献3参照)。また、関連した製法として、Ta−Sn金属間化合物粉末をNbパイプ内に充填して単芯線とし、複数束ねて複合化した多芯線とした後、熱処理を施してSnをNbへ拡散させてNb3Snとする製法もある。この方法では、15T以上の高い磁界でJcが高いという利点がある。
Nb管内にCu被覆したSn棒を収容し、Nb管外側にはCu管を被覆して単芯線とし、複数束ねて複合化した多芯線とした後、熱処理を施してSnをCuマトリックスを介してNbへ拡散させてNb3Snとする製法である。臨界電流密度(Jc)の高い線を低コストで製造できるという利点がある(例えば、特許文献4参照)。
まず、(1)のブロンズ法では、ブロンズが伸線を繰り返すと加工硬化して断線等が発生し、伸線不能になる。従って、伸線の途中で数パス毎に中間熱処理を施し、ブロンズの加工歪みを除去して軟化させる必要があるため、製造コストが高くなり、製造に要する時間も長くなる。また、高臨界電流密度(Jc)を達成するためには、ブロンズ中のSn濃度を固溶限界(15.8wt%)近傍あるいは、それ以上まで高Sn濃度化させる必要がある。その結果、前記中間熱処理の回数は更に多くなるので、コスト高や断線の危険性が更に増大してしまう。
この単芯線は、Nb管1の内側に、Cu被覆2を有するSn−Zn合金棒3を収容する一方、Nb管2の外側に、Cu層4を形成したものである。
Nb管1の材質は、純Nbとするのみならず、Ti、Ta、Zr、V、Hfのいずれか1種類あるいは複数種を合計濃度で5at%以下含むNb合金とすることが好ましい。
この理由は、NbへのTi、Ta等の添加によりJcが向上し、また、Ta、Zr、V、Hf等の添加によりNb合金の結晶粒を均一に微細化させるため、純Nbに比較してフィラメントの形状を均一に保持できる利点があるからである。但し、その添加濃度が5at%を超えると、合金の硬さが硬くなり、Nb合金管内に複合化したSn−Zn合金との硬さの差(ミスマッチ)が大きくなり不均一加工の原因となる。
SnにZnを添加することにより、SnのNbへの拡散反応を促進させることができ、高Jc化の観点から有利となる。
単芯線には後に熱処理が施され、単芯線内におけるSn−Zn合金棒3のSnとNb管1のNbとの反応によりNb3Snが生成される。
更に、円筒状NbあるいはNb合金フィラメント内部の液状化したSn−Zn部分にNbが拡散していく結果、Nb3Snが島状に生成して線材長さ方向やフィラメント断面の半径方向に不連続に分布してしまい、臨界電流値等の超電導特性が低下してしまう。
図3に、本実施形態に係るNb3Sn超電導線の製造工程の一例を示す。
まず、図4に示す単芯ビレットを作製すべく、内径15.1mm、外径22mm、長さ150mmのNb−1at%TaからなるNb−Ta合金管11内に、直径15mmのCu被覆12を施したSn−Zn合金棒13(Sn−Zn合金棒13の直径は10.3mm)を収納させ、Nb−Ta合金管11の外周には内径22.1mm、外径28mmのCu管14を被覆して単芯ビレット10とする(図3工程a)。
次に、図6に示すように、同じサイズのCu六角線31を85本束ね、その周囲に276本の六角断面単芯線33を束ねた後、内径24mm、外径28mmのCu管35内に収納してマルチビレット30とする(工程g)。
このマルチ線40は、Cu管41と、Cu芯43の間に、六角断面複合群45が形成されており、六角断面複合群45は、Sn−Zn合金棒51の外側に順にCu層53、Nb−Ta合金層55が形成された六角体がCuマトリックス47中に複数分散した構造となっている。
(1)従来製法では、加工を繰り返すとSnだけが軟化し、他の複合物であるNbやCuは加工硬化していくので硬さの差が顕著になり、不均一加工となってしまうが、本製法では、Zn濃度を調整することでSn−Zn合金の融点を純Snの融点よりも高くし、加工熱によるSnの溶融や軟化現象を防止することができ、均一加工が可能になる。
(2)従来製法では、加工性の観点からNb管内に収納できるSn量には限界値があり、Nb:Sn=3:1に必要なSnを供給できなかったが、本製法によれば、たとえSnの一部がZnになっても、Sn・Zn量自体を多くできるので、結果的に純Snに比較して、より多くのSnを供給可能になる。
(3)熱処理後のリング状Nb3Sn層の内側には、比較的Zn濃度の高いCu−Zn合金(真鍮)製の芯が残存するため、リング状Nb3Snフィラメントの補強材として有効に機能し、機械的強度が高くなる結果、マグネットに巻線したときも電磁力に耐え得る高強度Nb3Sn線となる。
(4)コスト面からは、Sn、Znともに安価な金属であり、従来法の内部拡散法等に比較してコスト高になることなく、フィラメント径が10μmレベルの線材を製造可能である。加えて、ブロンズ法のような中間熱処理は必要ない。
(5)従来の純Snコアを用いたNbチューブ法と比較して高い臨界電流密度を達成できる。また、Nb3Sn生成後の線材の強度もNb3Snフィラメント内側のCu−Zn合金により高くすることができ、歪みにも強いNb3Snを低コストで製造することができる。
本製法によれば、ブロンズ法のように加工を繰り返しても加工硬化しないため、中間熱処理無しでφ1mmまで伸線できた。
2、12、22 Cu被覆
3、13、23 Sn−Zn合金棒
4 Cu層
10 単芯ビレット
11、21 Nb−Ta合金管
14、24、35 Cu管
20 六角断面シングル線
30 マルチビレット
31 Cu六角線
33 六角断面単芯線
40 マルチ線
41 Cu管
43 Cu芯
45 六角断面複合群
47 Cuマトリックス
51 Sn−Zn合金棒
53 Cu層
55 Nb−Ta合金層
Claims (10)
- Nb管又はNb合金管の内側に、Cu被覆又はCu基合金被覆を有するSn−Zn合金棒を収容する一方、前記Nb管又はNb合金管の外側に、Cu層又はCu基合金層を形成して単芯線としたことを特徴とするNb3Sn超電導線用芯線。
- Cu管又はCu基合金管と、Cu芯又はCu基合金芯との間に、前記単芯線を複数分散させて多芯線としたことを特徴とする請求項1記載のNb3Sn超電導線用芯線。
- 前記Nb合金管は、Nbに、Ti、Ta、Zr、V、Hfのいずれか1種類あるいは複数種を合計濃度で5at%以下含むことを特徴とする請求項1又は2記載のNb3Sn超電導線用芯線。
- 前記Sn−Zn合金棒のZn濃度が12wt%以上、40wt%以下であり、SnとZnの合計濃度が95wt%以上であることを特徴とする請求項1又は2記載のNb3Sn超電導線用芯線。
- Nb管又はNb合金管の内側に、Cu被覆又はCu基合金被覆を有するSn−Zn合金棒を収容する一方、前記Nb管又はNb合金管の外側に、Cu層又はCu基合金層を形成した単芯線内に、Nb3Snが生成されていることを特徴とするNb3Sn超電導線。
- Cu管又はCu基合金管と、Cu芯又はCu基合金芯との間に、前記単芯線を複数分散させた多芯線内に、Nb3Snが生成されていることを特徴とする請求項5記載のNb3Sn超電導線。
- 前記Nb合金管は、Nbに、Ti、Ta、Zr、V、Hfのいずれか1種類あるいは複数種を合計濃度で5at%以下含むことを特徴とする請求項5又は6記載のNb3Sn超電導線。
- 前記Sn−Zn合金棒のZn濃度が12wt%以上、40wt%以下であり、SnとZnの合計濃度が95wt%以上であることを特徴とする請求項5又は6記載のNb3Sn超電導線。
- Nb管又はNb合金管の内側に、Cu被覆又はCu基合金被覆を有するSn−Zn合金棒を収容する一方、前記Nb管又はNb合金管の外側に、Cu層又はCu基合金層を形成して単芯線を作製し、該単芯線を細線化して定尺に切り分けた後、Cu管又はCu基合金管とCu芯又はCu基合金芯との間に、前記単芯線の複数本を分散させ複合化して多芯線とし、細線化後、熱処理を施してSnとNbを反応させNb3Snを生成させることを特徴とするNb3Sn超電導線の製造方法。
- 前記熱処理は、230℃以上、520℃以下の温度領域においての昇温時間も含めた保持時間を10時間以上とし、その後のNb3Sn生成熱処理温度を550℃以上、750℃以下とすることを特徴とする請求項9記載のNb3Sn超電導線の製造方法。
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