JP2013051082A - Nb3Sn超電導線材製造用前駆体およびNb3Sn超電導線材 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】前駆体1(Nb3Sn超電導線材製造用前駆体)は、純NbまたはNb基合金からなる複数本のNb基フィラメント5がブロンズマトリックス部4(Cu−Sn基合金)中に配置された超電導マトリックス部2と、超電導マトリックス部2の外周に配置された拡散障壁層6と、拡散障壁層6の外周に配置された安定化銅層7と、超電導マトリックス部2内に配置され純TaまたはTa基合金からなる補強部材8と、を備える。補強部材8は、前駆体1の軸直角断面に占める面積率が15〜25%である。
【選択図】図1
Description
このSn濃度についてさらに詳しく説明する。Sn濃度は、常温では通常15.6質量%より大きくできない。これは、Cu−Sn基合金中に15.6質量%を超えてSnを含有させようとすると、Cu−Snの金属間化合物が生成するからである。また、Cu−Snの金属間化合物には、代表的なものとして「δ相」がある。このδ相は硬く延性が乏しいので、前駆体1製造時の加工性(後述する減面加工の加工性)が悪くなる。そこで、Ti及びZrの少なくともいずれかをCu−Sn基合金に含有させる。すると、Cu−Sn基合金中のδ相を消失させることができる。その結果、常温での固溶限界とされる15.6質量%よりも多くのSnを、Cu−Sn基合金に含有させることができる。具体的には、Sn濃度を19質量%まで高めることができる。
面積率A=(補強部材8の断面積/前駆体1全体の断面積)×100(%)
なお、上記と同様に、前駆体1の軸直角断面に占める超電導マトリックス部2の面積率を面積率Bとする。このとき、前駆体1の軸直角断面に占める、超電導マトリックス部2及び補強部材8の「面積率A+面積率B」は、例えば70〜90%である。
次に、ブロンズ法によるNb3Sn超電導線材の製法の一例を説明する。超電導線材の製法は、一次スタック材(多芯部3に対応)を作製する第1工程と、一次スタック材等を用いて二次多芯ビレット(前駆体1が形成される前の段階のもの)を作製する第2工程と、二次多芯ビレットを加工して前駆体1を形成する第3工程と、前駆体1にNb3Sn生成熱処理を施して超電導線材とする第4工程とを備える。
上記製法により複数の超電導線材を製造した。そして、各超電導線材の、0.2%耐力と、臨界電流密度とを測定した。
補強部材8の面積率Aが大きくなるほど、0.2%耐力が大きくなった。この結果から、0.2%耐力と補強部材8の面積率Aとの関係は、近似直線L1(破線)で表せる。補強部材8の面積率Aが15%以上の試料c〜fでは、0.2%耐力が合格基準の325MPa以上となった。補強部材8の面積率Aが15%未満である試料a及びbでは、0.2%耐力が上記合格基準より小さくなった。
Sn濃度が14質量%の試料a〜dの臨界電流密度は以下のようになった。補強部材8の面積率Aが大きくなるほど、臨界電流密度が小さくなった。この結果から、臨界電流密度と補強部材8の面積率Aとの関係は、近似直線L2(二点鎖線)で表せる。補強部材8の面積率Aが25%以下の試料a〜dでは、臨界電流密度は合格基準である125(A/mm2)以上となった。補強部材8の面積率Aが25%より大きい場合、臨界電流密度は上記合格基準より小さくなる場合があると近似直線L2から予想できる。
次に、図1に示す前駆体1の効果を説明する。前駆体1は、Nb3Sn超電導線材の製造に用いられる。前駆体1は、純NbまたはNb基合金からなる複数本のNb基フィラメント5がブロンズマトリックス部4(Cu−Sn基合金)中に配置された超電導マトリックス部2と、超電導マトリックス部2の外周に配置された拡散障壁層6と、拡散障壁層6の外周に配置された安定化銅層7と、超電導マトリックス部2内に配置され純TaまたはTa基合金からなる補強部材8と、を備える。
そして、補強部材8は、前駆体1の軸直角断面に占める面積率Aが15〜25%である。よって、前駆体1を用いて製造された超電導線材は、面積率Aが15%未満の前駆体を用いて製造された従来の超電導線材に比べ、強度が高い(図2参照)。また、前駆体1を用いて製造された超電導線材は、面積率Aが25%より大きい前駆体を用いて製造された超電導線材に比べ、臨界電流密度が高い(図2参照)。
超電導マトリックス部2のブロンズマトリックス部4(Cu−Sn基合金)中のSn濃度は、13.5質量%以上である。よって、Sn濃度が13.5質量%未満の場合に比べ、臨界電流密度を高くできる。すなわち、補強部材8の面積率Aを大きくすることによる臨界電流密度の低下を抑制できる。
補強部材8は、超電導マトリックス部2の軸直角断面の中央に集中配置される。よって、補強部材8を超電導マトリックス部2内に分散配置する場合に比べ、前駆体1を容易に作製できる。さらに詳しくは、上記の二次多芯ビレットを作製する第2工程において、補強部材8を容易に配置でき、その結果、前駆体1を容易に作製できる。
前駆体1は、軸直角断面が矩形状である。よって、前駆体1を用いて製造された超電導線材をコイルの巻線として用いる場合、軸直角断面が円形状の超電導線材に比べ、超電導線材間のデッドスペースを少なくできる。その結果、このコイルの電流密度を上げることができ、このコイルを用いた超電導マグネットをコンパクト化できる。
本発明の超電導線材(Nb3Sn超電導線材)は、前駆体1に対して、Nb3Sn生成熱処理を施してNb3Sn系超電導相を形成させることで製造される。この超電導線材は、上記(効果1)〜(効果3)の効果を奏するものである。
前駆体1は、補強部材8と超電導マトリックス部2との間に配置された中間層9を備える。中間層9の硬さ(ヴィッカース硬度。以下の「硬さ」についても同様)は、超電導マトリックス部2のブロンズマトリックス部4(Cu−Sn基合金)の硬さと、補強部材8の硬さとの中間の硬さである。よって、補強部材8とブロンズマトリックス部4との間の変形抵抗差を小さくできる。したがって、前駆体1製造時の減面加工の際に、補強部材8が不均一変形することを抑制できる。
図3に変形例1の前駆体11を示す。図1に示すように、上記実施形態の前駆体1の補強部材8は、超電導マトリックス部2の軸直角断面の中央に集中配置された。一方、図3に示すように、超電導マトリックス部2中に補強部材18を分散配置しても良い。以下、この相違点をさらに説明する。
また、図1に示す前駆体1の補強部材8と、図3に示す前駆体11の補強部材18とを組み合わせても良い。すなわち、前駆体1(11)は、超電導マトリックス部2の軸直角断面の中央に集中配置された補強部材8(図1参照)と、超電導マトリックス部2中に分散配置された補強部材18(図3参照)と、の両方を備えても良い。この場合、前駆体1(11)の軸直角断面に占める、全ての補強部材8および補強部材18の合計の面積率Aを15〜25%とする。
2 超電導マトリックス部
4 ブロンズマトリックス部4(Cu−Sn基合金)
5 Nb基フィラメント
6 拡散障壁層
7 安定化銅層
8、18 補強部材
Claims (4)
- Nb3Sn超電導線材の製造に用いられる前駆体であって、
純NbまたはNb基合金からなる複数本のNb基フィラメントがCu−Sn基合金中に配置された超電導マトリックス部と、
前記超電導マトリックス部の外周に配置された拡散障壁層と、
前記拡散障壁層の外周に配置された安定化銅層と、
前記超電導マトリックス部内に配置され、純TaまたはTa基合金からなる補強部材と、を備え、
前記補強部材は、前記前駆体の軸直角断面に占める面積率が15〜25%であり、
前記超電導マトリックス部の前記Cu−Sn基合金中のSn濃度は、13.5質量%以上である、Nb3Sn超電導線材製造用前駆体。 - 前記補強部材は、前記超電導マトリックス部の軸直角断面の中央に集中配置される、請求項1に記載のNb3Sn超電導線材製造用前駆体。
- 軸直角断面が矩形状である、請求項1または2に記載のNb3Sn超電導線材製造用前駆体。
- 請求項1〜3のいずれか1項に記載のNb3Sn超電導線材製造用前駆体に対して、Nb3Sn生成熱処理を施してNb3Sn系超電導相を形成させることで製造される、Nb3Sn超電導線材。
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