JP2014143056A - 超電導線材の前駆体および超電導線材 - Google Patents

Abstract

【課題】減面加工時に不均一な断面となるのを抑制することが可能な超電導線材の前駆体および超電導線材を提供する。
【解決手段】ＮｂまたはＮｂ合金からなるＮｂフィラメント３を、ＣｕとＮｂフィラメント３の中間のビッカース硬度の第１中間層７で覆った複数のＮｂエレメント１０と、ＳｎまたはＳｎ合金からなるＳｎフィラメント４を、ＣｕからなるＣｕ層２で覆った複数のＳｎエレメント９と、複数のＮｂエレメント１０と複数のＳｎエレメント９の外周に一括して設けられ、Ｓｎの拡散を抑制するための拡散バリア層５と、拡散バリア層５の外周に設けられ、超電導を安定化させるための安定化Ｃｕ層６と、を備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、高磁場マグネットなどに応用可能な高Ｊｃ（臨界電流密度）なＮｂ₃Ｓｎ超電導線材の前駆体および超電導線材に関するものである。

Ｎｂ₃Ｓｎ（ニオブ３スズ）超電導線材の製造方法として、従来よりブロンズ法が広く用いられている。

ブロンズ法は、Ｃｕ−Ｓｎ合金（所謂ブロンズ）製のマトリクス中に多数のＮｂフィラメントを配置した構造の前駆体に熱処理を施すことにより、Ｃｕ−Ｓｎ合金中のＳｎをＮｂフィラメントに拡散させてＮｂフィラメントの部分にＮｂ₃Ｓｎを生成し、超電導線材とする方法である。

しかし、Ｃｕ−Ｓｎ合金におけるＳｎの固溶限は１６質量％程度が上限であるため、ブロンズ方法によるＮｂ₃Ｓｎの生成には限界があり、臨界電流値（Ｉｃ）にも限界が生じていた。

これに対して、Ｓｎの供給源をＣｕ−Ｓｎ合金以外とし、より多くのＳｎを供給できる内部スズ法（内部拡散法ともいう）が提案されている。

内部スズ法は、Ｃｕ製のマトリクス（Ｃｕマトリクスという）の内部に複数本のＮｂフィラメントを配置し、さらにＣｕマトリクスの中心部にＳｎ供給源としてＳｎまたはＳｎ合金層を配置した構造のサブエレメント線を作製し、これを複数本束ねて作製した多芯線材からなる前駆体に熱処理を行うことにより、ＳｎまたはＳｎ合金層からＣｕマトリクスを介してＮｂフィラメントにＳｎを拡散させ、Ｎｂフィラメントの部分にＮｂ₃Ｓｎを生成し、超電導線材とする方法である。

また、内部スズ法において、Ｃｕマトリクス中に多芯のＮｂフィラメントを配置したＮｂエレメントと、Ｓｎあるいは外周にＣｕを配置した単芯のＳｎエレメントをそれぞれ複数本複合化して作製した多芯線材からなる前駆体を用いる方法も提案されている（特許文献１）。

さらにまた、本出願人は、内部スズ法において、Ｃｕマトリクス中に１本のＮｂフィラメントを配置した単芯のＮｂエレメントとＣｕマトリクス中に１本のＳｎフィラメントを配置した単芯のＳｎエレメントをそれぞれ複数本複合化して作製した多芯線材からなる前駆体を用いる方法を提案している。この方法では、ＳｎフィラメントのサイズをＮｂフィラメントと同じ程度にすることができ、Ｓｎフィラメント変形時のＮｂフィラメントの配置の乱れを低減し、Ｓｎフィラメントに生成するボイドの大きさをＮｂフィラメントサイズ以下として、電磁力を受けたときのフィラメントの不安定性を改良できる特徴がある。

これらの内部スズ法では、ブロンズ法に比べてＳｎの複合化の割合を高くすることができるため、超電導線材のＪｃ（臨界電流密度）として例えば１２Ｔの磁場中でｎｏｎ−Ｃｕ Ｊｃ＝２９００Ａ／ｍｍ²の高い特性が得られている（非特許文献１）。

特開２００６−４６８４号公報

Ｊ．Ａ．Ｐａｒｒｅｌｌ他、「Ｈｉｇｈ ｆｉｅｌｄ Ｎｂ3Ｓｎ Ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｔ Ｏｘｆｏｒｄ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ」、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ、ｖｏｌ．１３、Ｎｏ．２、２００３年６月、ｐｐ．３４７０−３４７３

ところで、内部スズ法では、ＣｕパイプにＮｂまたはＮｂ合金からなるロッドを挿入して減面加工したＮｂエレメントと、ＣｕパイプにＳｎまたはＳｎ合金からなるロッドを挿入して減面加工したＳｎエレメントとを束ねてＣｕパイプに収容して多芯ビレットを組み立てた後、押出し、伸線などの減面加工（縮径加工）を経て、所定の線径の多芯線材からなる前駆体を作成する。

しかしながら、この多芯ビレットの減面加工中（伸線加工中）に断面形状の乱れが発生したり、あるいは断線が発生したりしてしまうことがある。

これは、超電導線材を構成する材料間で強度の差が大きく、このような強度の差が大きい材料を隣接して配置していることが原因のひとつと考えられる。

内部スズ法では、上述のように、ＮｂフィラメントやＳｎフィラメントがＣｕ製のマトリクス（Ｃｕパイプ）に埋め込まれた構造となっており、ＮｂとＣｕが隣接して配置されている。

また、超電導線材では、超電導の安定化のために最外周部に銅の層（Ｃｕパイプ、以下安定化Ｃｕ層という）が必要であるが、熱処理時に最外周部の安定化Ｃｕ層にＳｎが拡散すると安定化の機能が損なわれるため、Ｃｕマトリクス部分と安定化Ｃｕ層との間にＳｎの拡散を防止するためのＮｂやＴａからなる拡散バリア層を設けることが一般的であり、この拡散バリア層に用いられるＮｂやＴａとＣｕが隣接して配置されている。

さらに、超電導線材の前駆体において、強度の強いＴａを補強材（Ｔａ補強材という）として組み込むこともしばしば行われている。この場合、Ｃｕ製のパイプにＴａ棒を組み込んだものを減面加工してＣｕマトリクス内にＴａ補強材を埋め込むため、ＣｕとＴａが隣接して配置されていることになる。

Ｃｕの強度はビッカース硬度（Ｈｖ）で表すとおよそ１００〜１２０程度である。これに対して、Ｎｂのビッカース硬度は約２００程度、Ｔａのビッカース硬度は約３００程度であり、それぞれＣｕの２倍から３倍の硬さとなっている。このような硬さの大きく異なる材料を複合化して減面加工（伸線加工）を行うと、加工時に硬さの違いによる変形の違いが現れて、不均一な断面形状となり、最悪の場合線材の断線を引き起こしてしまう。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、減面加工時に不均一な断面となるのを抑制することが可能な超電導線材の前駆体および超電導線材を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、ＮｂまたはＮｂ合金からなるＮｂフィラメントを、Ｃｕと前記Ｎｂフィラメントの中間のビッカース硬度の第１中間層で覆った複数のＮｂエレメントと、ＳｎまたはＳｎ合金からなるＳｎフィラメントを、ＣｕからなるＣｕ層で覆った複数のＳｎエレメントと、前記複数のＮｂエレメントと前記複数のＳｎエレメントの外周に一括して設けられ、Ｓｎの拡散を抑制するための拡散バリア層と、前記拡散バリア層の外周に設けられ、超電導を安定化させるための安定化Ｃｕ層と、を備えた超電導線材の前駆体である。

前記第１中間層が、Ｓｎ、Ｇｅ、Ｓｉ、Ａｌから少なくともひとつの元素を０．１質量％〜５質量％含むＣｕ合金からなってもよい。

前記Ｎｂフィラメントと前記第１中間層のビッカース硬度の違いを、１．５７倍以下としてもよい。

前記拡散バリア層の内周に、Ｃｕと前記拡散バリア層の中間のビッカース硬度の第２中間層を設けてもよい。

前記拡散バリア層がＴａまたはＴａ合金からなり、前記第２中間層が、Ｎｂ、または、ＴａまたはＴｉから少なくともひとつの元素を０．１質量％〜５質量％含むＮｂ合金、または、Ｓｎ、Ｇｅ、Ｓｉ、Ａｌから少なくともひとつの元素を０．１質量％〜５質量％含むＣｕ合金からなってもよい。

前記拡散バリア層と前記第２中間層のビッカース硬度の違いを、１．６７倍以下としてもよい。

前記拡散バリア層と前記安定化Ｃｕ層との間に、前記拡散バリア層と前記安定化Ｃｕ層の中間のビッカース硬度の第３中間層を設けてもよい。

前記拡散バリア層がＴａまたはＴａ合金からなり、前記第３中間層が、Ｎｂ、または、ＴａまたはＴｉから少なくともひとつの元素を０．１質量％〜５質量％含むＮｂ合金からなってもよい。

ＴａまたはＴａ合金からなるＴａ補強材の周囲に、Ｃｕと前記Ｔａ補強材の中間のビッカース硬度の第４中間層を設けたＴａ補強材エレメントをさらに備えてもよい。

前記第４中間層が、Ｎｂ、または、ＴａまたはＴｉから少なくともひとつの元素を０．１質量％〜５質量％含むＮｂ合金、または、Ｓｎ、Ｇｅ、Ｓｉ、Ａｌから少なくともひとつの元素を０．１質量％〜５質量％含むＣｕ合金からなってもよい。

前記Ｔａ補強材と前記第４中間層のビッカース硬度の違いを、１．６７倍以下としてもよい。

また、本発明は、前記超電導線材の前駆体を熱処理して形成される超電導線材である。

本発明によれば、減面加工時に不均一な断面となるのを抑制することが可能な超電導線材の前駆体および超電導線材を提供できる。

本発明の一実施の形態に係る超電導線材の前駆体を示す横断面図および部分拡大図である。 本発明の一実施の形態に係る超電導線材の前駆体を示す横断面図および部分拡大図である。 本発明の一実施の形態に係る超電導線材の前駆体を示す横断面図および部分拡大図である。 本発明の比較対象となる比較例の超電導線材の前駆体を示す横断面図および部分拡大図である。

以下、本発明の実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

図１は、本実施の形態に係る超電導線材の前駆体を示す横断面図である。

図１に示すように、超電導線材の前駆体１は、複数のＮｂエレメント１０と、複数のＳｎエレメント９と、拡散バリア層５と、安定化Ｃｕ層６と、を備えている。

Ｓｎエレメント９は、断面六角形状のＳｎまたはＳｎ合金からなるＳｎフィラメント４を、ＣｕからなるＣｕ層２で覆ったものであり、全体として断面形状が六角形状に形成される。

拡散バリア層５は、Ｓｎの拡散を抑制するためのものであり、複数のＮｂエレメント１０と複数のＳｎエレメント９の外周に一括して設けられる。拡散バリア層５は、ＴａまたはＴａ合金からなる。複数のＮｂエレメント１０と複数のＳｎエレメント９は、Ｓｎエレメント９が隣接しないように分散配置される。

安定化Ｃｕ層６は、超電導を安定化させるためのものであり、拡散バリア層５の外周に設けられる。安定化Ｃｕ層６は、Ｃｕからなる。

本実施の形態では、Ｎｂエレメント１０は、断面六角形状のＮｂまたはＮｂ合金からなるＮｂフィラメント３を、ＣｕとＮｂフィラメント３の中間のビッカース硬度の第１中間層７で覆って構成され、全体として断面形状が六角形状に形成される。第１中間層７のビッカース硬度は、Ｃｕのビッカース硬度より大きく、Ｎｂフィラメント３のビッカース硬度よりも小さい。

第１中間層７としては、Ｓｎ、Ｇｅ、Ｓｉ、Ａｌから少なくともひとつの元素を０．１質量％〜５質量％含むＣｕ合金からなるものを用いるとよい。本実施の形態では、第１中間層７として、Ｓｎを０．１質量％〜５質量％含むＣｕ合金（Ｃｕ−Ｓｎ合金）からなるものを用いた。なお、Ｃｕ合金では、添加する元素の量を調整することで、ビッカース硬度を調整することができる。

超電導線材の前駆体１は、Ｃｕ−Ｓｎ合金からなるＣｕ−Ｓｎ合金パイプにＮｂまたはＮｂ合金からなるロッドを挿入して減面加工した断面六角形状のＮｂエレメント素線と、ＣｕパイプにＳｎまたはＳｎ合金からなるロッドを挿入して減面加工した断面六角形状のＳｎエレメント素線とを束ね、束ねたＮｂエレメント素線とＳｎエレメント素線を、内周面にＴａシートを設けたＣｕパイプに収容して多芯ビレットを組み立てた後、押出し、伸線などの減面加工（縮径加工）を経て形成される。多芯ビレットを減面加工することにより、Ｎｂエレメント素線のロッドがＮｂフィラメント３に、Ｓｎエレメント素線のロッドがＳｎフィラメント４になる。さらに、Ｎｂエレメント素線のＣｕ−Ｓｎ合金パイプは第１中間層７となり、Ｓｎエレメント素線のＣｕパイプはＣｕ層２となる。Ｎｂエレメント素線とＳｎエレメント素線を収容するＣｕパイプは、減面加工を経て安定化Ｃｕ層６となり、その内周面に設けられたＴａシートは拡散バリア層５となる。

Ｃｕのビッカース硬度は、およそ１００〜１２０程度である。これに対して、Ｎｂフィラメント３がＮｂからなる場合、Ｎｂフィラメント３のビッカース硬度は約２００程度である。Ｃｕのビッカース硬度を１２０、Ｎｂフィラメント３のビッカース硬度を２２０とすると、Ｎｂフィラメント３のビッカース硬度は、Ｃｕのビッカース硬度の約１．８３倍となる。ビッカース硬度は変形し難さを表す変形抵抗に比例するものであり、ビッカース硬度が１．８３倍になると同じ変形をするのに必要な力も１．８３倍になる。

第１中間層７をＮｂフィラメント３の周囲に設けることで、従来のようにＮｂフィラメント３の周囲にＣｕ層を設けた場合と比較して、隣接する部材間のビッカース硬度の差を小さくし、減面加工時のＮｂフィラメント３の変形を抑制することが可能となる。換言すれば、Ｎｂフィラメント３の周囲に第１中間層７を設けることで、Ｎｂフィラメント３とＳｎエレメント９のＣｕ層２との間で硬さの急激な変化を抑制し、均一な伸線加工が可能となる。

ところで、第１中間層７のビッカース硬度が、Ｃｕのビッカース硬度に近すぎる値であったり、あるいはＮｂフィラメント３のビッカース硬度に近すぎる値であったりすると、減面加工時の変形抑制の効果が十分に得られなくなる。よって、第１中間層７のビッカース硬度は、Ｃｕのビッカース硬度と、Ｎｂフィラメント３のビッカース硬度の中間値程度とすることが望ましい。

より具体的には、減面加工時の変形抑制の効果を十分に得るために、Ｎｂフィラメント３と第１中間層７のビッカース硬度の違い（Ｎｂフィラメント３のビッカース硬度／第１中間層７のビッカース硬度）は、１．５７倍以下とすることが望ましい。第１中間層７のビッカース硬度を１４０〜１９０程度とすれば、ビッカース硬度の違いをＮｂフィラメント３に対しても、隣接するＳｎエレメント９のＣｕ層２に対しても１．６倍以下とすることができる。

また、本実施の形態では、拡散バリア層５の内周に、Ｃｕと拡散バリア層５の中間のビッカース硬度の第２中間層８を設けている。第２中間層８のビッカース硬度は、Ｃｕのビッカース硬度より大きく、拡散バリア層５のビッカース硬度よりも小さい。

第２中間層８は、上述の第１中間層７と同様に、拡散バリア層５の周囲に設けられることで、隣接する部材のビッカース硬度の差を小さくし、減面加工時の拡散バリア層５の変形を抑制する役割を果たすものである。

拡散バリア層５としてＴａまたはＴａ合金からなるものを用いる場合、第２中間層８としては、Ｎｂ、または、ＴａまたはＴｉから少なくともひとつの元素を０．１質量％〜５質量％含むＮｂ合金、または、Ｓｎ、Ｇｅ、Ｓｉ、Ａｌから少なくともひとつの元素を０．１質量％〜５質量％含むＣｕ合金からなるものを用いるとよい。本実施の形態では、第２中間層８としてＣｕ−Ｓｎ合金からなるものを用いた。

第２中間層８は、上述の多芯ビレットにおいてＴａシートの内側にさらにＣｕ−Ｓｎ合金シートを設けておくことで形成できる。この多芯ビレットを減面加工することで、Ｃｕ−Ｓｎ合金シートが第２中間層８となる。

拡散バリア層５と第２中間層８のビッカース硬度の違い（拡散バリア層５のビッカース硬度／第２中間層８のビッカース硬度）は、１．６７倍以下とするとよい。

本実施の形態に係る超電導線材の前駆体１を熱処理すれば、Ｓｎフィラメント４のＳｎがＣｕ層２や第１中間層７を介してＮｂフィラメント３に拡散し、Ｎｂフィラメント３の部分にＮｂ₃Ｓｎが生成されて、本実施の形態に係る超電導線材が得られる。このとき、超電導線材の前駆体１を６５０℃以上７００℃以下の温度で、５０時間以上３００時間以下の時間熱処理して、超電導線材を製造するとよい。

本実施の形態の作用を説明する。

本実施の形態に係る超電導線材の前駆体１では、Ｎｂフィラメント３を、ＣｕとＮｂフィラメント３の中間のビッカース硬度の第１中間層７で覆ってＮｂエレメント１０を構成している。

超電導線材の前駆体１は、ビッカース硬度の異なる材料が隣接した複合材料であり、減面加工時に硬さの違いにより各部材に異なる変形の応力が発生している。そして硬さの違いが大きいほど各部材の応力の違いも大きくなり、これにより各部材の変形に差が生じ伸線が進むにつれて断面の不均一化が発生していた。このような断面の不均一化を抑制するためには、隣接する部材のビッカース硬度の差が２倍以内、より好ましくは１．６倍以内とすることが望ましいといえる。

超電導線材の前駆体１では、第１中間層７を設けることにより、Ｎｂフィラメント３とＳｎエレメント９のＣｕ層２との間で隣接する部材のビッカース硬度の違いを小さくし、急激な硬さの変化を緩和しており、これにより、減面加工時の変形を抑制し、減面加工時に不均一な断面となるのを抑制することが可能になる。

また、超電導線材の前駆体１では、拡散バリア層５の内周に、Ｃｕと拡散バリア層５の中間のビッカース硬度の第２中間層８を設けているため、Ｓｎエレメント９のＣｕ層２と拡散バリア層５のビッカース硬度の違いによる減面加工時の変形を抑制し、減面加工時に不均一な断面となるのをより確実に抑制することが可能になる。

次に、本発明の他の実施の形態を説明する。

図２に示す超電導線材の前駆体２１は、図１の超電導線材の前駆体１において、拡散バリア層５と安定化Ｃｕ層６との間に、拡散バリア層５と安定化Ｃｕ層６の中間のビッカース硬度の第３中間層２２をさらに設けたものである。第３中間層２２のビッカース硬度は、安定化Ｃｕ層６のビッカース硬度より大きく、拡散バリア層５のビッカース硬度よりも小さい。

第３中間層２２は、上述の第１中間層７や第２中間層８と同様に、安定化Ｃｕ層６と拡散バリア層５間に介在することで、隣接する部材のビッカース硬度の差を小さくし、減面加工時の拡散バリア層５や安定化Ｃｕ層６の変形を抑制する役割を果たすものである。

拡散バリア層５としてＴａまたはＴａ合金からなるものを用いる場合、第３中間層２２としては、Ｎｂ、または、ＴａまたはＴｉから少なくともひとつの元素を０．１質量％〜５質量％含むＮｂ合金からなるものを用いるとよい。本実施の形態では、拡散バリア層５としてＮｂからなるものを用いた。

なお、安定化Ｃｕ層６（拡散バリア層５よりも外側の層）は低抵抗である必要があるため、第３中間層２２としてＣｕ合金を用いることはできない。例えば、拡散バリア層５の外周にビッカース硬度２００程度のＮｂからなる第３中間層２２を配置することで、第３中間層２２の拡散バリア層５および安定化Ｃｕ層６に対するビッカース硬度の差を２倍以内とすることができる。

第３中間層２２は、多芯ビレットにおいてＴａシートの外側にさらにＮｂシートを設けておくことで形成できる。Ｎｂシートを設けた多芯ビレットを減面加工することで、Ｎｂシートが第３中間層２２となる。

第３中間層２２を設けることで、安定化Ｃｕ層６と拡散バリア層５のビッカース硬度の違いによる減面加工時の変形を抑制し、減面加工時に不均一な断面となるのをより確実に抑制することが可能になる。

図３に示す超電導線材の前駆体３１は、図２の超電導線材の前駆体２１において、ＴａまたはＴａ合金からなるＴａ補強材３２の周囲に、ＣｕとＴａ補強材３２の中間のビッカース硬度の第４中間層３３を設けたＴａ補強材エレメント３４をさらに備えたものである。第４中間層３３のビッカース硬度は、Ｃｕのビッカース硬度より大きく、Ｔａ補強材３２のビッカース硬度よりも小さい。

第４中間層３３は、Ｔａ補強材３２を用いる場合に、Ｔａ補強材３２とＳｎエレメント９のＣｕ層２との間に介在することで、隣接する部材のビッカース硬度の差を小さくし、減面加工時の変形を抑制する役割を果たすものである。

第４中間層３３としては、Ｎｂ、または、ＴａまたはＴｉから少なくともひとつの元素を０．１質量％〜５質量％含むＮｂ合金、または、Ｓｎ、Ｇｅ、Ｓｉ、Ａｌから少なくともひとつの元素を０．１質量％〜５質量％含むＣｕ合金からなるものを用いるとよい。Ｔａ補強材エレメント３４は、前述の材料からなるパイプ内にＴａまたはＴａ合金からなるロッドを挿入して減面加工した断面六角形状のＴａ補強材エレメント素線を作成し、この補強材エレメントをＮｂエレメントやＳｎエレメントと束ねてＣｕパイプに挿入し減面加工することで、形成される。減面加工により、ＴａまたはＴａ合金からなるロッドがＴａ補強材３２に、ＴａまたはＴａ合金からなるロッドを収容するパイプが第４中間層３３となる。

Ｔａ補強材３２と第４中間層３３のビッカース硬度の違い（Ｔａ補強材３２のビッカース硬度／第４中間層３３のビッカース硬度）は、１．６７倍以下とすることが望ましい。

Ｔａ補強材３２のビッカース強度を３００程度、Ｃｕのビッカース強度を１２０程度とすると、第４中間層３３のビッカース硬さを１５０〜２４０とすることで、隣接する部材のビッカース硬度の差を１．６倍以下とすることができる。

第４中間層３３を設けることで、Ｔａ補強材３２を備える場合であっても、ビッカース硬度の違いによる減面加工時の変形を抑制し、減面加工時に不均一な断面となるのを抑制することが可能になる。

本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加え得ることは勿論である。

例えば、上記実施の形態では、隣接する部材でビッカース硬度が比較的大きくなる部分、すなわち、Ｃｕ層２とＮｂフィラメント３間、Ｃｕ層２と拡散バリア層５間、安定化Ｃｕ層６と拡散バリア層５間、Ｃｕ層２とＴａ補強材３２間に、中間硬度の中間層７，８，２２，３３を設ける場合を説明したが、中間層７，８，２２，３３と隣接する部材との間に、さらに中間硬度の中間層を形成する（つまり、隣接する部材間に中間層を複数形成する）ことも可能である。

（実施例１〜５）
外径が２０ｍｍ、内径が１７．５ｍｍでＳｎをそれぞれ０．５質量％（実施例１）、１質量％（実施例２）、２質量％（実施例３）、４質量％（実施例４）、および６質量％（実施例５）含むＣｕ−Ｓｎ合金パイプに、直径が１７．４ｍｍのＮｂ−１質量％Ｔａ合金製のロッドを挿入し、これを減面加工して対辺間の長さが１．２ｍｍの断面六角形状の単芯のＮｂエレメントを作製した。

次に、外径２０ｍｍ、内径１７．５ｍｍのＣｕパイプに外径が１７．４ｍｍのＳｎ−２質量％Ｔｉ合金製のロッドを挿入し、これを減面加工して対辺間の長さが１．２ｍｍの断面六角形状の単芯のＳｎエレメントを作製した。

その後、外径３２ｍｍ、内径２６．５ｍｍのＣｕパイプの内周面に沿って厚さ０．１ｍｍのＴａ製のシートを４層重ね巻きし、その内側に、１２１本のＳｎエレメントと、２４０本のＮｂエレメントを、Ｓｎエレメントが隣接しないように分散させて配置して多芯ビレットを作成した。作成した多芯ビレットを線径１ｍｍに減面加工して、超電導線材の前駆体を作製した。

（実施例６〜１０）
外径が２０ｍｍ、内径が１７．５ｍｍでＳｎをそれぞれ０．５質量％（実施例６）、１質量％（実施例７）、２質量％（実施例８）、４質量％（実施例９）、および６質量％（実施例１０）含むＣｕ−Ｓｎ合金パイプに、直径が１７．４ｍｍのＮｂ−１質量％Ｔａ合金製のロッドを挿入し、これを減面加工して対辺間の長さが１．２ｍｍの断面六角形状の単芯のＮｂエレメントを作製した。

次に、外径２０ｍｍ、内径１７．５ｍｍのＣｕパイプに外径が１７．４ｍｍのＳｎ−２質量％Ｔｉ合金製のロッドを挿入し、これを減面加工して対辺間の長さが１．２ｍｍの断面六角形状の単芯のＳｎエレメントを作製した。

その後、外径３２ｍｍ、内径２６．５ｍｍのＣｕパイプの内周面に沿って厚さ０．１ｍｍのＴａ製のシートを４層、その内側に厚さ０．１ｍｍのＣｕ−Ｓｎ製シートを２層重ね巻きし、その内側に、１２１本のＳｎエレメントと、２４０本のＮｂエレメントを、Ｓｎエレメントが隣接しないように分散させて配置して多芯ビレットを作成した。作成した多芯ビレットを線径１ｍｍに減面加工して、図１の超電導線材の前駆体１を作製した。Ｃｕ−Ｓｎ製シートとしては、Ｓｎをそれぞれ０．５質量％（実施例６）、１質量％（実施例７）、２質量％（実施例８）、４質量％（実施例９）、および６質量％（実施例１０）含むものを用いた。

（実施例１１，１２）
外径が２０ｍｍ、内径が１７．５ｍｍでＳｎをそれぞれ２質量％含むＣｕ−Ｓｎ合金製パイプに直径が１７．４ｍｍのＮｂ−１質量％Ｔａ合金製のロッドを挿入し、これを減面加工して対辺間の長さが１．２ｍｍの断面六角形状の単芯のＮｂエレメントを作製した。

次に、外径２０ｍｍ、内径１７．５ｍｍのＣｕパイプに外径が１７．４ｍｍのＳｎ−２質量％Ｔｉ合金製のロッドを挿入し、これを減面加工して対辺間の長さが１．２ｍｍの断面六角形状の単芯のＳｎエレメントを作製した。

その後、外径３２ｍｍ、内径２６．５ｍｍのＣｕパイプの内周面に沿って厚さ０．１ｍｍのＮｂシートを２層、その内側に厚さ０．１ｍｍのＴａ製のシートを２層、その内側に厚さ０．１ｍｍのＣｕ−４質量％Ｓｎ製シートを２層重ね巻きし、その内側に、１２１本のＳｎエレメントと、２４０本のＮｂエレメントを、Ｓｎエレメントが隣接しないように分散させて配置し、これを線径１ｍｍに減面加工して、図２の超電導線材の前駆体２１（実施例１１）を作製した。

同様にして、Ｃｕ−４質量％Ｓｎ製シートを、厚さ０．１ｍｍのＮｂ製シートに変更して超電導線材の前駆体２１（実施例１２）を作製した。

（実施例１３〜１７）
外径が２０ｍｍ、内径が１７．５ｍｍでＳｎを２質量％含むＣｕ−Ｓｎ合金製パイプに直径が１７．４ｍｍのＮｂ−１質量％Ｔａ合金製のロッドを挿入し、これを減面加工して対辺間の長さが１．２ｍｍの断面六角形状の単芯のＮｂエレメントを作製した。

次に、外径２０ｍｍ、内径１７．５ｍｍのＣｕパイプに外径が１７．４ｍｍのＳｎ−２質量％Ｔｉ合金製のロッドを挿入し、これを減面加工して対辺間の長さが１．２ｍｍの断面六角形状の単芯のＳｎエレメントを作製した。

次に、外径が２０ｍｍ、内径が１７．５ｍｍでＳｎをそれぞれ１質量％（実施例１３）、２質量％（実施例１４）、４質量％（実施例１５）、６質量％（実施例１６）、１０質量％（実施例１７）含むＣｕ−Ｓｎ合金製パイプに直径が１７．４ｍｍのＴａ製のロッドを挿入し、これを減面加工して対辺間の長さが１．２ｍｍの断面六角形状の補強材エレメントを作製した。

その後、外径３２ｍｍ、内径２６．５ｍｍのＣｕパイプの内周面に沿って厚さ０．１ｍｍのＮｂシートを２層、その内側に厚さ０．１ｍｍのＴａ製のシートを２層、その内側に厚さ０．１ｍｍのＣｕ−４質量％Ｓｎ製シートを２層重ね巻きし、その内側に、中心に補強材エレメントを９１本配置しその周囲に９０本のＳｎエレメントと、１８０本のＮｂエレメントを、Ｓｎエレメントが隣接しないように分散させて配置し、これを線径１ｍｍに減面加工して、図３の超電導線材の前駆体３１を作製した。

（比較例）
外径が２０ｍｍ、内径が１７．５ｍｍのＣｕパイプに直径が１７．４ｍｍのＮｂ−１質量％Ｔａ合金製のロッドを挿入し、これを減面加工して対辺間の長さが１．２ｍｍの断面六角形状の単芯のＮｂエレメントを作製した。

次に、外径２０ｍｍ、内径１７．５ｍｍのＣｕパイプに外径が１７．４ｍｍのＳｎ−２質量％Ｔｉ合金製のロッドを挿入し、これに減面加工を施して、対辺間の長さが１．２ｍｍの断面六角形状の単芯のＳｎエレメントを作製した。

その後、外径３２ｍｍ、内径２６．５ｍｍのＣｕパイプの内周面に沿って厚さ０．１ｍｍのＴａ製のシートを６層重ね巻きし、その内側に、１２１本のＳｎエレメントと、２４０本のＮｂエレメントを、Ｓｎエレメントが隣接しないように分散させて配置し、これを線径１ｍｍに減面加工して、図４の超電導線材の前駆体４１を作製した。超電導線材の前駆体４１は、基本的に図１の超電導線材の前駆体１と同じ構成であるが、第１中間層７をＣｕからなるＣｕ層４２とし、第２中間層８を省略したものである。

実施例１〜１７および比較例において、伸線中の超電導線材の前駆体から試料を取得して、断面内の各部材の硬さをビッカース硬度計を用いて測定し、また部材の変形の状況を調べた。結果をまとめて表１に示す。なお、表１では拡散バリア層５をＴａバリアと記載している。

表１に示すように、Ｃｕ−Ｓｎ合金では、Ｓｎ濃度が増加するほどビッカース硬度が増加していることが分かる。

第１中間層７のみを設けた実施例１〜５においては、第１中間層７のＳｎ濃度を０．５質量％とした実施例１、および、Ｓｎ濃度を１質量％とした実施例２では、ビッカース硬度が１４０以下になり、Ｎｂフィラメント３にやや変形が見られた（表１の△印）。これに対し、第１中間層７のＳｎ濃度を２質量％以上とした実施例３〜５では、ビッカース硬度が１５０以上になり、Ｎｂフィラメント３の変形は見られず良好な形状を維持していた。

Ｎｂフィラメント３のビッカース硬度は約２２０であり、実施例２におけるＮｂフィラメント３と第１中間層７のビッカース硬度の違いは２２０／１４０＝１．５７１４倍となるので、Ｎｂフィラメント３の変形を抑制するためには、Ｎｂフィラメント３と第１中間層７のビッカース硬度の違いを１．５７倍以下とすることが望ましいことが分かる。

なお、実施例１〜５では、第２中間層８を形成しておらず、拡散バリア層５の内周がＣｕ（ビッカース硬度は約１２０）となっているので、ビッカース硬度の差の影響を受けて、拡散バリア層５はやや波打った形状となった。

第１中間層７と第２中間層８を設けた実施例６〜１０においては、第２中間層８のＳｎ濃度を０．５質量％とした実施例６、および、Ｓｎ濃度を１質量％とした実施例７では、ビッカース硬度が１５０以下になり、拡散バリア層５に変形が見られた（表１の×印）。これに対し、第２中間層８のＳｎ濃度を２質量％以上とした実施例８〜１０では、ビッカース硬度が１９０以上になり、拡散バリア層５の変形は見られず良好な形状を維持していた。

拡散バリア層５のビッカース硬度は約３００であり、実施例８における拡散バリア層５と第２中間層８のビッカース硬度の違いが３００／１８０＝１．６７倍となるので、拡散バリア層５の変形を抑制するためには、拡散バリア層５と第２中間層８のビッカース硬度の違いを１．６７倍以下とすることが望ましいことが分かる。

第１中間層７、第２中間層８、および第３中間層２２を設けた実施例１１，１２では、拡散バリア層５は平滑な形状を呈していることが認められ、変形は見られなかった。実施例１１，１２における拡散バリア層５と第２中間層８のビッカース硬度の違いは、それぞれ１．５８倍、１．５０倍であり、１．６７倍以下である。

第１中間層７、第２中間層８、第３中間層２２、および第４中間層３３を設けた実施例１３〜１７においては、第４中間層３３のＳｎ濃度を１質量％とした実施例１３、および、Ｓｎ濃度を２質量％とした実施例１４では、ビッカース硬度が１５０以下になり、Ｔａ補強材３２にやや変形が見られた（表１の△印）。これに対し、第４中間層３３のＳｎ濃度を４質量％以上とした実施例１５〜１７では、ビッカース硬度が１８０以上になり、Ｔａ補強材３２の変形は見られず良好な形状を維持していた。

Ｔａ補強材３２のビッカース硬度は約３００であり、実施例１５におけるＴａ補強材３２と第４中間層３３のビッカース硬度の違いが３００／１８０＝１．６７倍となるので、Ｔａ補強材３２の変形を抑制するためには、Ｔａ補強材３２と第４中間層３３のビッカース硬度の違いを１．６７倍以下とすることが望ましいことが分かる。

１ 超電導線材の前駆体
２ Ｃｕ層
３ Ｎｂフィラメント
４ Ｓｎフィラメント
５ 拡散バリア層
６ 安定化Ｃｕ層
７ 第１中間層
８ 第２中間層
９ Ｓｎエレメント
１０ Ｎｂエレメント

Claims (12)

1. ＮｂまたはＮｂ合金からなるＮｂフィラメントを、Ｃｕと前記Ｎｂフィラメントの中間のビッカース硬度の第１中間層で覆った複数のＮｂエレメントと、
   ＳｎまたはＳｎ合金からなるＳｎフィラメントを、ＣｕからなるＣｕ層で覆った複数のＳｎエレメントと、
   前記複数のＮｂエレメントと前記複数のＳｎエレメントの外周に一括して設けられ、Ｓｎの拡散を抑制するための拡散バリア層と、
   前記拡散バリア層の外周に設けられ、超電導を安定化させるための安定化Ｃｕ層と、
   を備えたことを特徴とする超電導線材の前駆体。
2. 前記第１中間層が、Ｓｎ、Ｇｅ、Ｓｉ、Ａｌから少なくともひとつの元素を０．１質量％〜５質量％含むＣｕ合金からなる
   請求項１記載の超電導線材の前駆体。
3. 前記Ｎｂフィラメントと前記第１中間層のビッカース硬度の違いを、１．５７倍以下とした
   請求項１または２記載の超電導線材の前駆体。
4. 前記拡散バリア層の内周に、Ｃｕと前記拡散バリア層の中間のビッカース硬度の第２中間層を設けた
   請求項１〜３いずれかに記載の超電導線材の前駆体。
5. 前記拡散バリア層がＴａまたはＴａ合金からなり、
   前記第２中間層が、Ｎｂ、または、ＴａまたはＴｉから少なくともひとつの元素を０．１質量％〜５質量％含むＮｂ合金、または、Ｓｎ、Ｇｅ、Ｓｉ、Ａｌから少なくともひとつの元素を０．１質量％〜５質量％含むＣｕ合金からなる
   請求項４記載の超電導線材の前駆体。
6. 前記拡散バリア層と前記第２中間層のビッカース硬度の違いを、１．６７倍以下とした
   請求項４または５記載の超電導線材の前駆体。
7. 前記拡散バリア層と前記安定化Ｃｕ層との間に、前記拡散バリア層と前記安定化Ｃｕ層の中間のビッカース硬度の第３中間層を設けた
   請求項１〜６いずれかに記載の超電導線材の前駆体。
8. 前記拡散バリア層がＴａまたはＴａ合金からなり、
   前記第３中間層が、Ｎｂ、または、ＴａまたはＴｉから少なくともひとつの元素を０．１質量％〜５質量％含むＮｂ合金からなる
   請求項７記載の超電導線材の前駆体。
9. ＴａまたはＴａ合金からなるＴａ補強材の周囲に、Ｃｕと前記Ｔａ補強材の中間のビッカース硬度の第４中間層を設けたＴａ補強材エレメントをさらに備えた
   請求項１〜８いずれかに記載の超電導線材の前駆体。
10. 前記第４中間層が、Ｎｂ、または、ＴａまたはＴｉから少なくともひとつの元素を０．１質量％〜５質量％含むＮｂ合金、または、Ｓｎ、Ｇｅ、Ｓｉ、Ａｌから少なくともひとつの元素を０．１質量％〜５質量％含むＣｕ合金からなる
    請求項９記載の超電導線材の前駆体。
11. 前記Ｔａ補強材と前記第４中間層のビッカース硬度の違いを、１．６７倍以下とした
    請求項９または１０記載の超電導線材の前駆体。
12. 請求項１〜１１いずれかに記載の超電導線材の前駆体を熱処理して形成される
    ことを特徴とする超電導線材。