JP2010182470A - Nb3Al超電導多芯線材 - Google Patents
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Abstract
【課題】Nb3Al超電導多芯線材の製造工程において、高いJc特性(輸送臨界電流密度特性)を損なわずに伸線加工時の断線を抑制して長尺化することにある。
【解決手段】Nb3Al化合物超電導多芯線材の中心には、1本又は複数本の中心金属線材としての中心ダミー材9が配置され、中心ダミー材9の外周は中心ダミー材9とは異なる材料で構成された金属緩衝層10によって被覆されおり。中心ダミー材9の外周には、NbとAl又はこれらの合金からなる複数本の超電導線材としてのシングル線材6が配置され、複数本のシングル線材6の外周が金属被覆層としての金属シース材12によって被覆されることで構成される。
【選択図】図4
【解決手段】Nb3Al化合物超電導多芯線材の中心には、1本又は複数本の中心金属線材としての中心ダミー材9が配置され、中心ダミー材9の外周は中心ダミー材9とは異なる材料で構成された金属緩衝層10によって被覆されおり。中心ダミー材9の外周には、NbとAl又はこれらの合金からなる複数本の超電導線材としてのシングル線材6が配置され、複数本のシングル線材6の外周が金属被覆層としての金属シース材12によって被覆されることで構成される。
【選択図】図4
Description
本発明はNb3Al超電導多芯線材に関するものである。
Nb3Al化合物系超電導線材は、NbTi超電導線材と比べ、特に高磁界における輸送臨界電流密度特性(以下、Jc特性と略す。)が優れていることから、12〜25T(テスラ)程度の高磁界下で運転する超電導マグネット用材料などへの応用が期待されている。具体的には、高エネルギー粒子加速器などに利用され、その場合、高いJc特性を得ることに加えて、長尺化するための伸線加工技術が要請される。
上述の要請に応えるため、従来、Nb3Al化合物超電導線材の製造方法として、Nbシート及びAlシートを積層し、それを断面渦巻形状に巻きつけるジェリーロール法が提案されている。この方法によれば、シート状のNbとAlとの拡散距離が短くなるため、高いJc特性を得ることができる。さらに、ジェリーロール法によって製造された超電導線材を多芯組みして伸線工程を経ることで、長尺化したNb3Al化合物超電導多芯線材が製造される(例えば、特許文献1参照)。
一般に、Nb3Al化合物超電導多芯線材の中心にはNbやTaなどの中心金属線材(ダミー材)が配置され、これによって機械的強度の向上や加工性改善を図る方法が適用されている。
一般に、Nb3Al化合物超電導多芯線材の中心にはNbやTaなどの中心金属線材(ダミー材)が配置され、これによって機械的強度の向上や加工性改善を図る方法が適用されている。
しかし、中心金属線材の硬度が超電導線材と比較して高い場合、中心金属線材が伸線工程で超電導線材に食い込んでJc特性の低下を引き起こし、さらには断線する場合があった。例えば、Nb3Al化合物超電導多芯線材を高エネルギー粒子加速器などの放射線環境中で利用する場合は、超電導線材自身の低放射化対策として上述の中心金属線材には半減期が短いTaなどが用いられるが、Taは加工硬化が大きいため、Jc特性の低下が大きく、断線のおそれが大きかった。
本発明の目的は、Nb3Al化合物超電導多芯線材の製造工程において、高いJc特性を損なわずに伸線加工時の断線を抑制して長尺化することにある。
上記課題を解決するために、本発明は次のように構成されている。
本発明の第1の態様は、1本又は複数本からなる中心金属線材と、前記中心金属線材の外周に被覆され、前記中心金属線材とは異なる材料で構成された金属緩衝層と、前記金属緩衝層で被覆された前記中心金属線材の外周に配置され、NbとAl、又はこれらの合金からなる複数本の超電導線材と、前記複数本の超電導線材の外周に被覆された金属被覆層とを備えたNb3Al超電導多芯線材である。
本発明の第1の態様は、1本又は複数本からなる中心金属線材と、前記中心金属線材の外周に被覆され、前記中心金属線材とは異なる材料で構成された金属緩衝層と、前記金属緩衝層で被覆された前記中心金属線材の外周に配置され、NbとAl、又はこれらの合金からなる複数本の超電導線材と、前記複数本の超電導線材の外周に被覆された金属被覆層とを備えたNb3Al超電導多芯線材である。
本発明の第2の態様は、第1の態様のNb3Al超電導多芯線材において、前記金属緩衝層の材料の硬度が、前記金属緩衝層で被覆された前記中心金属線材の材料の硬度よりも低いNb3Al超電導多芯線材である。
本発明の第3の態様は、第1の態様又は第2の態様のNb3Al超電導多芯線材において、前記中心金属線材がTa又はその合金からなり、前記金属緩衝層がNb又はその合金からなるNb3Al超電導多芯線材である。
本発明の第4の態様は、第1ないし第3の態様のいずれかのNb3Al超電導多芯線材おいて、前記中心金属線材の体積を100とした場合に、前記金属緩衝層の体積が10以下となるNb3Al超電導多芯線材である。
本発明によれば、高いJc特性を損なわずに伸線加工時の断線を抑制して長尺化することができる。
[Nb3Al化合物超電導多芯線材]
本発明に係る実施形態のNb3Al化合物超電導多芯線材について説明する。図4(a)は実施の形態におけるNb3Al化合物超電導多芯線材の横断面の一例を示す図、図4(b)は図4(a)の中心部を拡大した一例を示す図である。
本発明に係る実施形態のNb3Al化合物超電導多芯線材について説明する。図4(a)は実施の形態におけるNb3Al化合物超電導多芯線材の横断面の一例を示す図、図4(b)は図4(a)の中心部を拡大した一例を示す図である。
本実施形態によれば、Nb3Al化合物超電導多芯線材は、その中心に中心金属線材としての中心ダミー材9が、1本、又は図示例のように複数本配置され、中心ダミー材9の外周は中心ダミー材9とは異なる材料で構成された金属緩衝層10によって被覆されている。中心ダミー材9が複数本配置される場合には、複数本のダミー材9は金属緩衝層によって個別に被覆されている。金属緩衝層10で被覆された中心ダミー材9の外周には、NbとAl又はこれらの合金からなる超電導線材としてのシングル線材6が複数本配置され、複数本のシングル線材6の外周がさらに金属被覆層としての金属シース材12によって被覆されている。
中心ダミー材9は、金属線材で構成される。中心ダミー材は本実施形態のように断面が六角形状で構成される場合があるが、これに限られず、円、楕円、その他多角形状であってもよい。本実施形態のように中心ダミー材が六角形状であれば複数本の場合、隙間なく束ねることが可能であるため好ましい。中心ダミー材9は、1本又は複数本を束ねた状態でNb3Al化合物超電導多芯線材の横断面の中心に配置される。そうすることで、中心よりも偏って配置される場合に比べて高いJc特性と良好な伸線加工性を有することができる。中心ダミー材9に硬度の高い線材を用いた場合、Nb3Al化合物超電導多芯線材の機械的強度を向上させることができる。中心ダミー材9には例えばTaやNbを用いる
ことが好ましい。特に半減期の短いTaを用いた場合には、Nb3Al化合物超電導多芯線材を高エネルギー粒子加速器などの放射線環境中で利用することができる。
ことが好ましい。特に半減期の短いTaを用いた場合には、Nb3Al化合物超電導多芯線材を高エネルギー粒子加速器などの放射線環境中で利用することができる。
金属緩衝層10は、金属性のシートにより構成され、中心ダミー材9の外周に被覆される。金属緩衝層10には例えばNb、Nb合金、NbTa合金、NbTi合金、V(バナジウム)などの非磁性の金属を用いることが好ましい。金属緩衝層10の材料は中心ダミー材9とは異なる材料で構成するため、例えば中心ダミー材9の材料がTaであれば、金属緩衝層10の材料はNbで構成する。ここで、Nb3Al化合物超電導多芯線材の製造工程において、シングル線材6の前躯体となるNb/Al過飽和固溶体を生成する際に1500℃以上での急熱急冷処理工程を経るため、金属緩衝層10の材料は、その融点が1500℃以上である金属が好ましい。さらに、1500℃以上の温度において後述するシングル線材6との間で金属間化合物が生成されない金属が好ましい。
また、歩留よくNb3Al化合物超電導多芯線材の生産性を上げるためには、金属緩衝層10の体積は、中心ダミー材の体積を100とした場合に、10以下であることが好ましい。
シングル線材6は、NbシートとAlシート、又はこれらの合金からなるシートを積層させて巻芯3に巻きつけるジェリーロール法によって製造される金属線材である。シングル線材6の断面形状は、中心ダミー材と同様に、本実施形態では六角形状であるが、これに限られず、円、楕円、その他多角形状であってもよい。本実施形態のようにシングル線材6が六角形状であれば隙間なく複数のシングル線材を配置することが可能であるため好ましい。各シングル線材6の外周は化合物生成防止材であるバリア層11によって被覆される。シングル線材6は、金属緩衝層10で被覆された中心ダミー材9の外周を囲うように複数本配置され、Nb3Al化合物超電導多芯線材の横断面が円形を形成するように集合し配置される。
金属被覆層12は、集合配置された複数のシングル線材6の外周に複数のシングル線材を一括するように被覆される。金属被覆層12には例えばNb又はNb合金を用いることが好ましい。
このようにして本実施形態のNb3Al化合物超電導多芯線材が構成される。
このようにして本実施形態のNb3Al化合物超電導多芯線材が構成される。
本実施の形態は、以下に挙げる一つ又はそれ以上の効果を有する。
(1)中心金属線材の外周に被覆され、中心金属線材とは異なる材料で構成された金属緩衝層を備えたので、中心金属線材の硬度がNbとAl、又はこれらの合金からなる複数本の超電導線材と比較して高い場合であっても、金属緩衝層の作用により伸線加工時に超電導線材に中心金属線材が食い込むのを有効に防止できるので、高いJc特性を損なわずに伸線加工時の断線を抑制して超電導線材を長尺化することができる。
(1)中心金属線材の外周に被覆され、中心金属線材とは異なる材料で構成された金属緩衝層を備えたので、中心金属線材の硬度がNbとAl、又はこれらの合金からなる複数本の超電導線材と比較して高い場合であっても、金属緩衝層の作用により伸線加工時に超電導線材に中心金属線材が食い込むのを有効に防止できるので、高いJc特性を損なわずに伸線加工時の断線を抑制して超電導線材を長尺化することができる。
(2)金属緩衝層10に用いられる材料が、中心ダミー材9に用いる材料よりも硬度が低い材料であると、金属緩衝層10によって中心ダミー材9とシングル線材6との硬度差が埋められて変形抵抗差を緩和することができ、加工性を改善できる。
(3)中心ダミー材9の材料がTa又はTa合金であり、金属緩衝層10の材料がNb又はNb合金であると、Nb又はNb合金は加工性がよいので、中心ダミー材9に金属緩衝層10を被覆する際の塑性変形性を向上させることができる。
Nb3Al化合物超電導多芯線材を、例えば高エネルギー粒子加速器などの放射線環境下における超電導マグネットに利用する場合は、超電導線材が放射化して超電導特性が低下する他、被爆管理などの問題が生じる。したがって、Nb3Al化合物超電導多芯線材を高エネルギー粒子加速器などの放射線環境中で利用する場合は、超電導線材自身の低放
射化対策として上述の中心ダミー材9には半減期が短いTaが用いられる。Taを用いることで、超電導線材自身の低放射化を図ることができる。特に、低放射化に当たってTaを用いることは、TaがNbに比べて液体ヘリウム温度下における磁気的な安定性に優れていることからも好ましい。
ところが、中心ダミー材9としてTaを用いた従来のNb3Al化合物超電導多芯線材の断線個所を走査型電子顕微鏡で観察すると、Taとシングル線材6との金属間における硬度の差異から、シングル線材6が中心ダミー材9の硬度に耐え切れず、Taがシングル線材6に食い込み、不均質な変形状態となっていた。この点で、本実施形態によれば、Taを用いても、そのようなことはなく、伸線加工時の不均質な変形から生じる金属間の干渉が金属緩衝層10によって抑制されるため、高いJc特性を損なわずに伸線加工時の断線を抑制してキロメートル級の長尺化に資することができる。また、金属緩衝層10には、中心ダミー材9の材料とは異なる材料が用いられるため、少なくとも不均質な変形が生じた同じ環境下で金属緩衝層10は変形しない。したがって、シングル線材6への干渉を抑制することができる。なお、低放射化が不要な環境下での利用であれば中心ダミー材9にはNbを用いてもよい。
Nb3Al化合物超電導多芯線材を、例えば高エネルギー粒子加速器などの放射線環境下における超電導マグネットに利用する場合は、超電導線材が放射化して超電導特性が低下する他、被爆管理などの問題が生じる。したがって、Nb3Al化合物超電導多芯線材を高エネルギー粒子加速器などの放射線環境中で利用する場合は、超電導線材自身の低放
射化対策として上述の中心ダミー材9には半減期が短いTaが用いられる。Taを用いることで、超電導線材自身の低放射化を図ることができる。特に、低放射化に当たってTaを用いることは、TaがNbに比べて液体ヘリウム温度下における磁気的な安定性に優れていることからも好ましい。
ところが、中心ダミー材9としてTaを用いた従来のNb3Al化合物超電導多芯線材の断線個所を走査型電子顕微鏡で観察すると、Taとシングル線材6との金属間における硬度の差異から、シングル線材6が中心ダミー材9の硬度に耐え切れず、Taがシングル線材6に食い込み、不均質な変形状態となっていた。この点で、本実施形態によれば、Taを用いても、そのようなことはなく、伸線加工時の不均質な変形から生じる金属間の干渉が金属緩衝層10によって抑制されるため、高いJc特性を損なわずに伸線加工時の断線を抑制してキロメートル級の長尺化に資することができる。また、金属緩衝層10には、中心ダミー材9の材料とは異なる材料が用いられるため、少なくとも不均質な変形が生じた同じ環境下で金属緩衝層10は変形しない。したがって、シングル線材6への干渉を抑制することができる。なお、低放射化が不要な環境下での利用であれば中心ダミー材9にはNbを用いてもよい。
(4)金属緩衝層10を用いた場合、金属緩衝層10を用いなかった場合と比べて、伸線加工時の断線を抑制させることができる。しかし、金属緩衝層10が増えることで、金属緩衝層10に対する超電導線材の体積が相対的に減ることとなるため、高い超電導特性を得る為には、金属緩衝層10の体積を少なくすることが求められる。中心ダミー材の体積を100とした場合に、金属緩衝層10の体積が10以下であれば、超電導線材の体積を必要以上に減少させることがなく、高い超電導特性を維持することができ、それと同時に、伸線加工時に確実に断線を抑制することが可能となる。したがって、金属緩衝層10の体積が10以下であれば、歩留よくNb3Al化合物超電導多芯線材の生産性を上げることができる。
<本実施の形態の変形例>
なお、上述した実施の形態では、図3、図4に示すように、複数本の中心ダミー材9を個別に金属被覆層10で被覆するようにしたが、一括して被覆するようにしてもよい。図5及び図6はそのような一括被覆した場合の変形例を示したものである。図5に示すように、複数本の中心ダミー材9をあらかじめ1つに束ねた状態で、その外周側面が金属緩衝層10によって被覆される。このような変形例によれば、複数本の中心ダミー材9をそれぞれ金属緩衝層10で被覆する工程を短縮できる。また、図6に示すように、複数の中心ダミー材9の外周に一括して金属緩衝層10が被覆されているNb3Al化合物超電導多芯線材が得られる。
なお、上述した実施の形態では、図3、図4に示すように、複数本の中心ダミー材9を個別に金属被覆層10で被覆するようにしたが、一括して被覆するようにしてもよい。図5及び図6はそのような一括被覆した場合の変形例を示したものである。図5に示すように、複数本の中心ダミー材9をあらかじめ1つに束ねた状態で、その外周側面が金属緩衝層10によって被覆される。このような変形例によれば、複数本の中心ダミー材9をそれぞれ金属緩衝層10で被覆する工程を短縮できる。また、図6に示すように、複数の中心ダミー材9の外周に一括して金属緩衝層10が被覆されているNb3Al化合物超電導多芯線材が得られる。
<他の応用例、利用例>
本実施形態のNb3Al化合物超電導多芯線材は超電導マグネットに用いることができる。高靭性・高硬度性から、線材自身の降伏応力、引張り強度、ヤング率などの機械的強度の面で優れている。その結果、強磁場による電磁力にも耐える超電導マグネットを製造することができる。さらに、両端抵抗を十分に抑えることで、永久電流超電導マグネットが実現できる。
本実施形態のNb3Al化合物超電導多芯線材は超電導マグネットに用いることができる。高靭性・高硬度性から、線材自身の降伏応力、引張り強度、ヤング率などの機械的強度の面で優れている。その結果、強磁場による電磁力にも耐える超電導マグネットを製造することができる。さらに、両端抵抗を十分に抑えることで、永久電流超電導マグネットが実現できる。
さらに、例えば冷媒に液体ヘリウムを使用する場合に、Nb/Al系以外の他の金属系超電導体や酸化物系超電導体と組合わせることで、強磁場を発生する超電導マグネットなどが実現できる。ここで、他の金属系超電導体には、例えばNbTi系合金、Nb3Sn系化合物、V3Ga系、MgB2系、シェブレル系化合物などが好ましい。必要に応じて2種以上の超電導マグネットを配置する。酸化物超電導体は、例えばY系、Bi系、Tl系、Hg系、Ag/Pb系の超電導体であることが好ましい。なお、冷凍機伝導冷却に用いる場合は、MgB2系又は酸化物超電導体と組合わせることで、高性能超電導マグネッ
トなどが実現できる。さらに、交流電力機器へ応用する場合は、交流損失を低減させるために線材を撚ってツイスト加工を施す必要がある。
トなどが実現できる。さらに、交流電力機器へ応用する場合は、交流損失を低減させるために線材を撚ってツイスト加工を施す必要がある。
具体的な他の応用例、利用例として、送電ケーブル、核磁気共鳴分析装置(NMR)、医療用磁気共鳴診断装置(MRI)、磁気分離装置、磁場中単結晶引上げ装置、超電導発電機、核融合炉用マグネット、高エネルギー粒子加速器用マグネットなどの機器に用いることができる。
[Nb3Al化合物超電導多芯線材の製造方法]
次に、上述したNb3Al化合物超電導多芯線材の製造工程の概要を説明する。図1は第1実施の形態におけるNb3Al化合物超電導多芯線材の製造工程の一例を示している。図2A、図2B及び図3は、図1の製造工程の一部を抜き出して斜視図で具体的に説明した一例を示している。
次に、上述したNb3Al化合物超電導多芯線材の製造工程の概要を説明する。図1は第1実施の形態におけるNb3Al化合物超電導多芯線材の製造工程の一例を示している。図2A、図2B及び図3は、図1の製造工程の一部を抜き出して斜視図で具体的に説明した一例を示している。
<(1)シングル線材製造工程(図1のステップ100〜106、図2A)>
まず、図1に示すように、Alシート1、Nbシート2、及び巻芯3を用意する(ステップ100)。そして、これらからジェリーロール法を用いてシングル積層体4を製造する(ステップ101)。
これらのステップ100、101では、具体的には、図2Aに示すように、所定の厚さを有するAlシート1、Nbシート2を積層し、棒状の巻芯3にジェリーロール状に合わせ巻きする。これによって、ジェリーロール積層体としてのシングル積層体4を製造する(図2A(a))。ここで、Alシート1及びNbシート2は、Al又はAl合金、Nb又はNb合金のいずれであってもよく、高いJc特性を得るためには、Alの体積を1とした場合にNbの体積が2.5〜3.5の範囲となることが好ましい。巻芯3には例えばTaを用いることが好ましい。
これらのステップ100、101では、具体的には、図2Aに示すように、所定の厚さを有するAlシート1、Nbシート2を積層し、棒状の巻芯3にジェリーロール状に合わせ巻きする。これによって、ジェリーロール積層体としてのシングル積層体4を製造する(図2A(a))。ここで、Alシート1及びNbシート2は、Al又はAl合金、Nb又はNb合金のいずれであってもよく、高いJc特性を得るためには、Alの体積を1とした場合にNbの体積が2.5〜3.5の範囲となることが好ましい。巻芯3には例えばTaを用いることが好ましい。
次に、図1に示すように、シングル積層体4をシングルビレット5(Cu/Cu合金管)に充填する(ステップ102)。
このステップ102では、具体的には、図2Aに示すように、上述の工程で得たシングル積層体4の他に、シングルビレット5、及び化合物生成防止材であるバリア層11を用意する。シングルビレット5には例えばCu管又はCu合金管を用いることが好ましい。バリア層11には例えばTaシートを用いることが好ましい。そして、シングル積層体4をバリア層11で被覆して、シングルビレット5内に充填する(図2A(b))。
シングルビレット5内に充填することで、後に施すダイス伸線加工の際に焼き付けなどを起こしても、シングル積層体4の表面を直接傷めることがなく、シングル積層体4の加工性を損なわずに伸線加工することができる。
このステップ102では、具体的には、図2Aに示すように、上述の工程で得たシングル積層体4の他に、シングルビレット5、及び化合物生成防止材であるバリア層11を用意する。シングルビレット5には例えばCu管又はCu合金管を用いることが好ましい。バリア層11には例えばTaシートを用いることが好ましい。そして、シングル積層体4をバリア層11で被覆して、シングルビレット5内に充填する(図2A(b))。
シングルビレット5内に充填することで、後に施すダイス伸線加工の際に焼き付けなどを起こしても、シングル積層体4の表面を直接傷めることがなく、シングル積層体4の加工性を損なわずに伸線加工することができる。
次に、図1に示すように、静水圧押出(ステップ103)、ダイスによる伸線加工(ステップ104)を施し、Cu/Cu合金を除去することで(ステップ105)、シングル線材6を製造する(ステップ106)。
これらのステップ103〜106では、具体的には、静水圧押出を施した後のダイスによる伸線加工で、所望の径になるまで伸線加工し、図2Aに示すように、断面が六角形状となるように加工する。必要に応じて、焼鈍処理を施して軟化させる。焼鈍処理においては、熱によってAlとNbとの金属間化合物が生成されない限度で行うことで、加工性を損なわずに伸線加工することができる。次に、シングルビレット5を硝酸を主成分とする液体に数時間浸して、Cu又はCu合金を完全に除去し、断面が六角形状であるシングル線材6を製造する(図2A(c))。
これらのステップ103〜106では、具体的には、静水圧押出を施した後のダイスによる伸線加工で、所望の径になるまで伸線加工し、図2Aに示すように、断面が六角形状となるように加工する。必要に応じて、焼鈍処理を施して軟化させる。焼鈍処理においては、熱によってAlとNbとの金属間化合物が生成されない限度で行うことで、加工性を損なわずに伸線加工することができる。次に、シングルビレット5を硝酸を主成分とする液体に数時間浸して、Cu又はCu合金を完全に除去し、断面が六角形状であるシングル線材6を製造する(図2A(c))。
なお、上述の伸線加工は、ドローベンチ、スエージャー、カセットローラーダイス、ま
たは溝ロール等を用いて行う。一般的には、1パス当たりの断面減少率が10%〜30%程度となるように伸線加工を繰り返す。また、超電導線材の多芯線化は、例えば断面丸型形状、断面六角形状などに伸線加工された超電導線材を管に組み込み、上述のドローベンチ等を用いて、1パス当たりの断面減少率が10%〜30%程度となるように、所定の線径となるまで伸線加工する。
たは溝ロール等を用いて行う。一般的には、1パス当たりの断面減少率が10%〜30%程度となるように伸線加工を繰り返す。また、超電導線材の多芯線化は、例えば断面丸型形状、断面六角形状などに伸線加工された超電導線材を管に組み込み、上述のドローベンチ等を用いて、1パス当たりの断面減少率が10%〜30%程度となるように、所定の線径となるまで伸線加工する。
<(2)被覆中心ダミー材製造工程(図1のステップ120〜121、図3>
次に、図1に示すように、中心ダミー材9及び金属緩衝シートからなる金属緩衝層10を用意する(ステップ120)。そして、中心ダミー材9の外周を金属緩衝層10で被覆して被覆中心ダミー材を形成する(ステップ121)。ここで、金属緩衝層10は、伸線工程において、中心ダミー材9と超電導線材との材料の硬度差に起因する超電導線材の断線を防止する緩衝材である。
これらのステップ120〜121では、具体的には、図3に示すように、金属緩衝シートからなる金属緩衝層10で中心ダミー材9の外周側面を覆うように、金属緩衝層10を外周側面の形状に沿って変形させ、中心ダミー材9に1ターン巻き付ける(図3(a))。これにより中心ダミー材9の外周を金属緩衝層10で被覆した中心ダミー材が構成される(図3(b))。なお、中心ダミー材9を金属緩衝層10で被覆する方法は、この方法に限らず、例えば筒状の金属緩衝層10に中心ダミー材9を挿入して被覆する方法、中心ダミー材9を融液状の金属緩衝層10に浸して被覆する方法であってもよい。また、複数本の中心ダミー材9を用いる場合は、1本の中心ダミー材9を金属緩衝層10で被覆した後に複数本に切断する方法の他、あらかじめ複数本に切断した中心ダミー材9のそれぞれを金属緩衝層10で被覆する方法であってもよい。
次に、図1に示すように、中心ダミー材9及び金属緩衝シートからなる金属緩衝層10を用意する(ステップ120)。そして、中心ダミー材9の外周を金属緩衝層10で被覆して被覆中心ダミー材を形成する(ステップ121)。ここで、金属緩衝層10は、伸線工程において、中心ダミー材9と超電導線材との材料の硬度差に起因する超電導線材の断線を防止する緩衝材である。
これらのステップ120〜121では、具体的には、図3に示すように、金属緩衝シートからなる金属緩衝層10で中心ダミー材9の外周側面を覆うように、金属緩衝層10を外周側面の形状に沿って変形させ、中心ダミー材9に1ターン巻き付ける(図3(a))。これにより中心ダミー材9の外周を金属緩衝層10で被覆した中心ダミー材が構成される(図3(b))。なお、中心ダミー材9を金属緩衝層10で被覆する方法は、この方法に限らず、例えば筒状の金属緩衝層10に中心ダミー材9を挿入して被覆する方法、中心ダミー材9を融液状の金属緩衝層10に浸して被覆する方法であってもよい。また、複数本の中心ダミー材9を用いる場合は、1本の中心ダミー材9を金属緩衝層10で被覆した後に複数本に切断する方法の他、あらかじめ複数本に切断した中心ダミー材9のそれぞれを金属緩衝層10で被覆する方法であってもよい。
<(3)前駆体超電導多芯線材製造工程(図1のステップ107〜111、図2B>
シングル線材6及び被覆中心ダミー材10を形成した後、図1に示すように、金属緩衝層10で被覆した中心ダミー材9の外周に複数本のシングル線材6を配置して多芯ビレット7(Cu/Cu合金管)に充填する(ステップ107)。その後、静水圧押出(ステップ108)、ダイスによる伸線加工(ステップ109)を施し、Cu/Cu合金を除去することで(ステップ110)、前躯体超電導多芯線材8を製造する(ステップ111)。
これらのステップ107〜111では、具体的には、図2Bに示すように、まず、シングル線材6、多芯ビレット7、中心ダミー材9、金属被覆層12を用意する(図2B(a))。多芯ビレット7には例えばCu管又はCu合金管を用いることが好ましい。金属被覆層12には例えばNb管を用いることが好ましい。
シングル線材6及び被覆中心ダミー材10を形成した後、図1に示すように、金属緩衝層10で被覆した中心ダミー材9の外周に複数本のシングル線材6を配置して多芯ビレット7(Cu/Cu合金管)に充填する(ステップ107)。その後、静水圧押出(ステップ108)、ダイスによる伸線加工(ステップ109)を施し、Cu/Cu合金を除去することで(ステップ110)、前躯体超電導多芯線材8を製造する(ステップ111)。
これらのステップ107〜111では、具体的には、図2Bに示すように、まず、シングル線材6、多芯ビレット7、中心ダミー材9、金属被覆層12を用意する(図2B(a))。多芯ビレット7には例えばCu管又はCu合金管を用いることが好ましい。金属被覆層12には例えばNb管を用いることが好ましい。
そして複数本のシングル線材6を、内周に金属被覆層12が設けられた多芯ビレット7内に充填する。このとき、金属緩衝層10で被覆された中心ダミー材9も複数本のシングル線材6とともに多芯ビレット7内に充填する(図2B(b))。金属緩衝層10で被覆した中心ダミー材9は、1本又は複数本の束となって金属被覆層11の中心に配置されるようにする。したがって、中心ダミー材9とシングル線材6との間には金属緩衝層10が緩衝材として挟まれている状態となる。
そして、内部にシングル線材6及び中心ダミー材9が充填された多芯ビレット7に、静水圧押出を施し、更にダイスにより所望の径になるまで伸線加工する。必要に応じて焼鈍処理を施すことで、多芯ビレット7の加工性を損なわずに伸線加工できる。その後、硝酸を主成分とする液体に数時間浸して、Cu又はCu合金を完全に溶かして、多芯ビレット7を除去する。これにより、Nb/Al線材としての前躯体超電導多芯線材8が製造される(図2B(c))。
そして、内部にシングル線材6及び中心ダミー材9が充填された多芯ビレット7に、静水圧押出を施し、更にダイスにより所望の径になるまで伸線加工する。必要に応じて焼鈍処理を施すことで、多芯ビレット7の加工性を損なわずに伸線加工できる。その後、硝酸を主成分とする液体に数時間浸して、Cu又はCu合金を完全に溶かして、多芯ビレット7を除去する。これにより、Nb/Al線材としての前躯体超電導多芯線材8が製造される(図2B(c))。
<(4)Nb3Al化合物超電導多芯線材製造工程(ステップ112〜114、図4)>
前躯体超電導多芯線材8を作成した後は、図1に示すように、急熱急冷処理(ステップ112)及び変態熱処理(ステップ113)を施し、Nb3Al化合物超電導多芯線材を
製造する(ステップ114)。
具体的には、急熱急冷処理により、前躯体超電導多芯線材8を連続的に通電加熱し、自己通電加熱により1500℃〜2000℃の高温で短時間に急速に加熱する。急速加熱後すぐに、Gaバス内の液体Ga中に通すなどして急速冷却し、Nb/Alの過飽和固溶体を生成する。その後、変態熱処理において、Nb/Alの過飽和固溶体を、800℃で10時間程度再加熱することにより、Nb3Al化合物を生成する。その結果、図4に示したNb3Al化合物超電導多芯線材を得る。
前躯体超電導多芯線材8を作成した後は、図1に示すように、急熱急冷処理(ステップ112)及び変態熱処理(ステップ113)を施し、Nb3Al化合物超電導多芯線材を
製造する(ステップ114)。
具体的には、急熱急冷処理により、前躯体超電導多芯線材8を連続的に通電加熱し、自己通電加熱により1500℃〜2000℃の高温で短時間に急速に加熱する。急速加熱後すぐに、Gaバス内の液体Ga中に通すなどして急速冷却し、Nb/Alの過飽和固溶体を生成する。その後、変態熱処理において、Nb/Alの過飽和固溶体を、800℃で10時間程度再加熱することにより、Nb3Al化合物を生成する。その結果、図4に示したNb3Al化合物超電導多芯線材を得る。
なお、複数本の中心ダミー材9を個別に被覆するようにした上述の実施の形態と異なり、複数本の中心ダミー材9を一括して金属緩衝層10によって被覆する場合は、図5に示すように複数本の中心ダミー材9をあらかじめ1つに束ねた状態で、その外周側面を金属緩衝層10によって1ターン巻き付ける(図5(a))。このようにして一括被覆の中心ダミー材9を形成する(図5(b))。
このように複数本の中心ダミー材9を用いる場合には、1つに束ねた複数本の中心ダミー材9と等しい線径からなる1本の中心ダミー材9を、金属緩衝層10で被覆してもよい。図6は、このように一括被覆した中心ダミー材9を用いて製造されたNb3Al化合物超電導多芯線材の横断面の一例を示す図である。
このように複数本の中心ダミー材9を用いる場合には、1つに束ねた複数本の中心ダミー材9と等しい線径からなる1本の中心ダミー材9を、金属緩衝層10で被覆してもよい。図6は、このように一括被覆した中心ダミー材9を用いて製造されたNb3Al化合物超電導多芯線材の横断面の一例を示す図である。
次に、本発明の実施例を説明する。
<実施例1>
図2Aにおいて、厚さ0.03mmのAlシート1と、厚さ0.10mmのNbシート2とを、直径2mmのTa棒にジェリーロール状に合わせ巻きした。その後、外周に厚さ0.1mmのTaシートを化合物生成防止材(バリア層)として被覆し、外径が約13mmからなるシングル積層体4を製造した。そのシングル積層体4を、外径16mm、内径14mm、全長150mmからなるCu管に充填した。そのCu管を、押出機により線径8mmまで押出加工し、ドローベンチを用いて、断面六角対辺長2.80mmとなるように伸線加工した後、硝酸に浸して、外郭であるCu管を完全に除去して、断面六角対辺長2.55mmのシングル線材6を製造した。
図2Aにおいて、厚さ0.03mmのAlシート1と、厚さ0.10mmのNbシート2とを、直径2mmのTa棒にジェリーロール状に合わせ巻きした。その後、外周に厚さ0.1mmのTaシートを化合物生成防止材(バリア層)として被覆し、外径が約13mmからなるシングル積層体4を製造した。そのシングル積層体4を、外径16mm、内径14mm、全長150mmからなるCu管に充填した。そのCu管を、押出機により線径8mmまで押出加工し、ドローベンチを用いて、断面六角対辺長2.80mmとなるように伸線加工した後、硝酸に浸して、外郭であるCu管を完全に除去して、断面六角対辺長2.55mmのシングル線材6を製造した。
図2Bにおいて、上述のシングル線材6を、1本当たりの全長が300mmとなるように276本に切断し、断面六角対辺長2.55mmのTa棒を37本とともに、Nb層で被覆した後、外径59mm、内径54mmからなるCu合金管に充填した。ここで、37本のそれぞれのTa棒の外周には、厚さ0.10mmのNbシートが1ターン巻き付けて被覆してある(例えば、図3(b))。
得られたCu合金管を、静水圧押出により線径30mmまで押出加工し、ドローベンチや釜式伸線機を用いて伸線加工した。その結果、線径が0.8mmに縮径されるまで、断線することなく伸線加工することができた。
以上より、中心ダミー材9としてのTa棒の外周を金属緩衝層10としてのNbシートで被覆することは、伸線加工時の断線を抑制しつつ長尺化することができると認められる。
なお、前躯体超電導多芯線材8の芯線数について、本実施例ではシングル線材6を276本、中心ダミー材9としてのTa棒を37本とする313芯構造であるが、これに限られず、応用する機器に応じて増減させてもよい。
<実施例2>
実施例2が、実施例1と異なる点は、37本のTa棒を1束として、その外周を一括して厚さ0.10mmのNbシートで被覆した点である(例えば、図5)。その他は、実施例1と同様に、276本に切断したシングル線材6であって、全長300mm、断面六角対辺長2.55mmのものと、37本のTa棒であって断面六角対辺長2.55mmのものとを、Nb層で被覆した後、Cu合金管に充填したものを準備した。Cu合金管は、外径59mm、内径54mmからなる。
実施例1と同様に伸線加工した結果、線径が0.8mmに縮径されるまで、断線することなく伸線加工することができた。
実施例2が、実施例1と異なる点は、37本のTa棒を1束として、その外周を一括して厚さ0.10mmのNbシートで被覆した点である(例えば、図5)。その他は、実施例1と同様に、276本に切断したシングル線材6であって、全長300mm、断面六角対辺長2.55mmのものと、37本のTa棒であって断面六角対辺長2.55mmのものとを、Nb層で被覆した後、Cu合金管に充填したものを準備した。Cu合金管は、外径59mm、内径54mmからなる。
実施例1と同様に伸線加工した結果、線径が0.8mmに縮径されるまで、断線することなく伸線加工することができた。
<実施例3>
実施例3では、金属緩衝層としてのNbシートの厚さを変えた場合の加工性と、Jc特性について評価した。
実施例1と同様にして、断面六角対辺長が2.80mmのシングル線を得た。次に、シングル線6全体を硝酸に浸して、外側に配置されるCuを完全に除去した。除去後の六角対辺長は2.55mmである。これを、長さ300mmに276本切断した後、外径59mm、内径54mmのCu合金パイプに組み込んだ。このとき、中心には六角対辺長が2.55mmのTa棒を37本配置した。
ここでは、37本のTa棒のそれぞれの表面に、種々の厚さのNbシートを1ターン巻き付けたもの(図3参照)を準備し、加工性とJc特性を評価した。具体的には、中心ダミー材の体積と、その表面に配置される金属緩衝層10としてのNbシートの体積が、中心ダミー材が100に対して、1、3、5、10、20、30となるように、Nbシートを巻き付けて線材を作製した。
実施例3では、金属緩衝層としてのNbシートの厚さを変えた場合の加工性と、Jc特性について評価した。
実施例1と同様にして、断面六角対辺長が2.80mmのシングル線を得た。次に、シングル線6全体を硝酸に浸して、外側に配置されるCuを完全に除去した。除去後の六角対辺長は2.55mmである。これを、長さ300mmに276本切断した後、外径59mm、内径54mmのCu合金パイプに組み込んだ。このとき、中心には六角対辺長が2.55mmのTa棒を37本配置した。
ここでは、37本のTa棒のそれぞれの表面に、種々の厚さのNbシートを1ターン巻き付けたもの(図3参照)を準備し、加工性とJc特性を評価した。具体的には、中心ダミー材の体積と、その表面に配置される金属緩衝層10としてのNbシートの体積が、中心ダミー材が100に対して、1、3、5、10、20、30となるように、Nbシートを巻き付けて線材を作製した。
その結果を表1に示す。
Nbシートの体積を1にした場合には、線径1.0mmまでの歩留まり(断線しない確率)は81%であったが、体積を3にすると90%、体積を5にすると95%まで向上することがわかった。また、体積が10を越えると歩留まりは100%となり、線形1.0mmまで断線しないことがわかった。
次に、線径1.0mmまで無断線で加工できた多芯線を急熱急冷処理および再加熱処理して、Nb3Al化合物とし、温度4.2KでJc特性を評価した。その結果、Nbシートの体積を10まで増加させた場合でも、23Tという高い磁界で、実用レベルである200A/mm2を上回るJcが得られていることが確認できた。しかしながら、Nbシートの体積を10を超えて増加させた場合は、非超電導相の割合を増加させるだけになった。すなわち、金属緩衝層10の体積を増加させれば加工性が向上するが、超電導線材の体積が減少することになるため、過度に金属緩衝層10の体積を増加させた場合は、高い超電導特性を維持できなくなる。
このため、Nbシートの体積は10が最も効果的であることがわかった。したがって、歩留まり80%以上でも許容される場合は、Nbシートの体積は非超電導相の割合の増加を抑えられる10以下が好ましい。すなわち、中心ダミー材と、その表面に配置される金
属緩衝層(Nbシート)の体積は、中心ダミー材が100に対して、Nbシートは10以下にすることで、高い性能を有する長尺線を安定して作製することができることを確認した。
次に、線径1.0mmまで無断線で加工できた多芯線を急熱急冷処理および再加熱処理して、Nb3Al化合物とし、温度4.2KでJc特性を評価した。その結果、Nbシートの体積を10まで増加させた場合でも、23Tという高い磁界で、実用レベルである200A/mm2を上回るJcが得られていることが確認できた。しかしながら、Nbシートの体積を10を超えて増加させた場合は、非超電導相の割合を増加させるだけになった。すなわち、金属緩衝層10の体積を増加させれば加工性が向上するが、超電導線材の体積が減少することになるため、過度に金属緩衝層10の体積を増加させた場合は、高い超電導特性を維持できなくなる。
このため、Nbシートの体積は10が最も効果的であることがわかった。したがって、歩留まり80%以上でも許容される場合は、Nbシートの体積は非超電導相の割合の増加を抑えられる10以下が好ましい。すなわち、中心ダミー材と、その表面に配置される金
属緩衝層(Nbシート)の体積は、中心ダミー材が100に対して、Nbシートは10以下にすることで、高い性能を有する長尺線を安定して作製することができることを確認した。
<比較例>
比較例として、上述の実施例1において、Ta棒が被覆されていないものを準備して実施例1と同様の伸線加工を行い、加工性を比較評価した。その結果、線径が1.4mmに縮径されたところで断線が発生した。
比較例として、上述の実施例1において、Ta棒が被覆されていないものを準備して実施例1と同様の伸線加工を行い、加工性を比較評価した。その結果、線径が1.4mmに縮径されたところで断線が発生した。
1 Alシート
2 Nbシート
3 巻芯
4 シングル積層体
5 シングルビレット5
6 シングル線材
7 多芯ビレット
8 前躯体超電導多芯線材
9 中心ダミー材
10 金属緩衝層
11 バリア層
12 金属被覆層
2 Nbシート
3 巻芯
4 シングル積層体
5 シングルビレット5
6 シングル線材
7 多芯ビレット
8 前躯体超電導多芯線材
9 中心ダミー材
10 金属緩衝層
11 バリア層
12 金属被覆層
Claims (4)
- 1本又は複数本からなる中心金属線材と、
前記中心金属線材の外周に被覆され、前記中心金属線材とは異なる材料で構成された金属緩衝層と、
前記金属緩衝層で被覆された前記中心金属線材の外周に配置され、NbとAl、又はこれらの合金からなる複数本の超電導線材と、
前記複数本の超電導線材の外周に被覆された金属被覆層と、
を備えたことを特徴とするNb3Al超電導多芯線材。 - 前記金属緩衝層の材料の硬度は、前記金属緩衝層で被覆された前記中心金属線材の材料の硬度よりも低いことを特徴とする請求項1に記載のNb3Al超電導多芯線材。
- 前記中心金属線材がTa又はその合金からなり、前記金属緩衝層がNb又はその合金からなることを特徴とする請求項1又は2に記載のNb3Al超電導多芯線材。
- 前記中心金属線材の体積を100とした場合に、前記金属緩衝層の体積が10以下となることを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載のNb3Al超電導多芯線材。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2009023333A JP2010182470A (ja) | 2009-02-04 | 2009-02-04 | Nb3Al超電導多芯線材 |
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JP2009023333A JP2010182470A (ja) | 2009-02-04 | 2009-02-04 | Nb3Al超電導多芯線材 |
Publications (1)
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JP (1) | JP2010182470A (ja) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2012099008A1 (ja) * | 2011-01-18 | 2012-07-26 | 独立行政法人物質・材料研究機構 | 混合バリア型Nb3Al超伝導多芯線材 |
USD779440S1 (en) | 2014-08-07 | 2017-02-21 | Henkel Ag & Co. Kgaa | Overhead transmission conductor cable |
-
2009
- 2009-02-04 JP JP2009023333A patent/JP2010182470A/ja active Pending
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WO2012099008A1 (ja) * | 2011-01-18 | 2012-07-26 | 独立行政法人物質・材料研究機構 | 混合バリア型Nb3Al超伝導多芯線材 |
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CN103329219A (zh) * | 2011-01-18 | 2013-09-25 | 独立行政法人物质·材料研究机构 | 混合阻挡层型Nb3Al超导多芯线材 |
US9037203B2 (en) | 2011-01-18 | 2015-05-19 | National Institute For Materials Science | Composite barrier-type Nb3AI superconducting multifilament wire material |
USD779440S1 (en) | 2014-08-07 | 2017-02-21 | Henkel Ag & Co. Kgaa | Overhead transmission conductor cable |
USD868701S1 (en) | 2014-08-07 | 2019-12-03 | Henkel Ag & Co. Kgaa | Overhead transmission conductor cable |
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