JP2815373B2 - 第三元素添加Ｎｂ▲下３▼Ａ▲ｌ▼超電導部材の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明はNb₃Al超電導部材の製造方法に係り、特にGe
やSi等の第三元素の添加により改善された性質を有する
超電導線に好適する部材の製造方法に関する。

（従来の技術） Nb₃SnやNb₃Al等の化合物系の超電導材料は、一般にNb
−Ti合金等の合金系超電導材料に比較して優れた超電導
特性を有しており、特にNb₃AlはNb₃Snに比較して上部臨
界磁界（Hc₂）が高い上、機械的性質に優れる等の利点
を有するが、Nb₃Alの生成温度が高く、かつ長時間の熱
処理を必要とする難点がある。Nb−Al系合金の拡散過程
に関する研究によれば、Nb−Alの拡散速度は極めて小さ
く、例えば800℃前後で数μｍのNb₃Al層を生成するため
に極めて長時間と拡散時間を要することが知られてい
る。

しかしながら、NbがAl中に微細に多数存在すれば、粒
界拡散が支配的となり熱処理条件を改善することができ
るため実用レベルの超電導部材を製造することが可能と
なる。

このような観点から、現在Nb₃Al超電導線の製造方法
としてジェリー・ロール法（jelly−roll technique）
と粉末法が知られている。

ジェリー・ロール法は、NbシートとAlシートを重ね巻
きするものであり、シングル線の加工々程とこれらの組
込み工程が省略される利点を有する。

一方、粉末法は、金属管内にNbとAlの混合粉末を充填
し、これらを成型後熱処理を施すものである。

このようなNb₃Alの超電導特性（Hc₂および高磁界にお
ける臨界電流密度;Jc）はSiやGe等の第三元素の添加に
より向上することが急冷法による試料に関する実験結果
として報告されている（Appl.Phys.Lett.,vol.47,No.6,
15Septembar 1985）。この粉末法への適用として、例え
ばGe粉末をNb、Alの粉末と混合して、これをテープ状に
加工した後、電子ビーム照射を含めた２段熱処理を施す
方法が検討されているが、Ge粉末の加工性が低いため、
その初期粒径によって加工度が限定され実用的でない。

（発明が解決しようとする課題） 本発明は上記の難点、即ち第三元素の添加されたNb₃A
l超電導部材の加工性を改善し、Hc₂や高磁界でのJc当の
超電導特性に優れた超電導部材の製造方法を提供するこ
とをその目的とする。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本願第１の発明の第三元素添加Nb₃Al超電導部材の製
造方法は、補強部材の外側に、多数の貫通部を有する厚
さt₁のNbまたはNb基合金シートと、厚さt₂のAl合金シー
トをt₁/t₂＝0.5〜10の範囲で積層しながら巻回し、この
巻回層の外側に拡散障壁および安定化材を順次配置した
後減面加工を施し、次いでNb₃Al生成の熱処理を施すこ
とを特徴としている。

さらに本願第２の発明の第三元素添加Nb₃Al超電導部
材の製造方法は、補強部材の外側に、多数の貫通部を有
する厚さt₁のNbまたはNb基合金シートと、厚さt₂のAl合
金シートをt₁/t₂＝0.5〜10の範囲で積層しながら巻回
し、この巻回層の外側に金属管を配置した後減面加工を
施し、次いでNb₃Al生成の熱処理を施すことを特徴とし
ている。

本願発明における補強部材としては、強度が大きく、
かつ構成部材として適度の加工性を有するものであれば
使用し得るが、このようなものとしてNbまたはNb基合金
を上げることができる。

また本願発明における第三元素は、予めAlに添加し、
これをシート状に加工したAl合金シートとして用いられ
るが、同時に第三元素を添加したNb基合金シートを用い
ることもできる。

上記の第三元素としてはGe、Siが適する。

これらの添加元素はそれぞれ単独に添加される場合に
は、 Ge＝（0.5〜35）at％ Si＝（0.1〜15）at％ の範囲であることが好ましく、さらに同時にAl合金シー
トあるはいはNb基合金シートに添加して用いることもで
きる。この場合の添加量は、 （Ge＋Si）＝（0.1〜35）at％ の範囲が好適する。この添加量の範囲は超電導特性と加
工性の２点から選定されるものである。即ち、添加量が
少ないとHc₂およびJc向上の効果が小さく、添加量が多
くなると加工性が低下する。

Geおよび／またはSiの量が、上記範囲内の高濃度、即
ち共晶点近傍の場合には、例えばAl合金に対して10⁴℃/
min以上の冷却速度で凝固させ、共晶組織を微細にして
加工性を改善させる方法を用いる。

上記以外の組成の場合には、基本的には加工性を低下
させない程度の固溶体を主として若干の共晶組織を含む
組成が適する。

この場合のGe、Siの量は、それぞれ単独に添加される
場合には、 Ge＝（１〜９）at％ Si＝（0.1〜３）at％ の範囲であることが好ましく、さらに同時にAl合金シー
トあるいはNb基合金シートに添加される場合には （Ge＋Si）＝（0.1〜９）at％ の範囲が好ましい。

本願発明におけるNbまたはNb基合金シートの厚さは、
Al合金シートの厚さの0.5〜10倍の範囲内のものを選択
して用いる。この理由は上記の厚さの比が0.5未満であ
ると超電導性を示さないAlに富むNb−Al化合物、例えば
NbAl₃、NbAl、Nb₂Al等が多く発生し、Nb₃Alの生成量が
低下するためであり、またこの比が10を越えるとA15型
のNb₃Al化合物中のAl量が不足するとともにその生成量
が低下して、いずれの場合にも超電導特性の向上が認め
られないことによる。

上記のNbまたはNb基合金シートには多数の貫通部が形
成されており、これによりNbフィラメントの微細化と同
様の効果を得ることができる。このようなシートは、シ
ートに多数の細孔を打抜加工により形成するか、あるい
は同一直線上に位置する多数の短いスリットをその横方
向の位置を相互にずらせて平行に多数形成したシートを
横方向に伸張させることにより得られる。

さらに本願第１の発明における拡散障壁としてはNb、
Taあるいはこれらの合金が適しており、通常管体として
用いられる。

同様に、安定化材としてはCuまたはCu合金を採用する
ことが好ましい。

（実施例） 実施例１ 厚さ0.5mm、幅300mm、長さ1260mmのAl−4.8at％Ge合
金シートと厚さ0.3mmで上記と同一の幅および長さを有
するNbメッシュシートとを外径14mmφのNbロッドの外周
に重ね巻きし、これを内径42mmφ、外径45mmφのNb管内
に収容した後、その外側に厚さ4.5mmのCu管を配置し
た。

このようにして得られた長さ300mm、外径55mmφの複
合体の両端を密封した後、静水圧加圧および静水圧押出
加工を施して外径15mmφの複合線を製作した。

この複合線に縮径加工を施して外径1.40mmφの線材と
し、さらに圧延加工を施した後硝酸中に浸漬して最外層
のCuを除去し厚さ0.2mmのテープを製造した。このテー
プに1200℃で１分間の均質化処理を施した後、750℃で
４日間の熱処理を施して超電導テープを製造した。

このようにして得られたテープの臨界電流密度（Jc）
は13Tで340A/mm²、18Tで272A/mm²であった。これに対し
Al−Ge合金シートの代りにAlシートを用いて同様の方法
により製造したテープのJcは13Tで540A/mm²、18Tで110A
/mm²であった。

実施例２ 実施例１で得た外径15mmφの複合線に伸線加工を施し
て平行面間距離2.1mmの断面六角形の線材を製造した。
この線材の301本を厚さ4.5mm、内径40mmφのCu管中に稠
密に充填してその両端を密封した後、静水圧押出加工を
施し、次いでウェージング加工および伸線加工を施して
外径1.0mmφの線材を製造した。この線材に950℃で１分
間および750℃で４日間の二段熱処理を施して超電導線
を製造した。

このようにして得られた線材のJcは13Tで125A/mm²、1
8Tで100A/mm²であった。これに対しAl−Geシートの代り
にAlシートを用いて同様の方法により製造した線材のJc
は13Tで180A/mm²、18Tで36A/mm²であった。

実施例３ 実施例１のAl−Ge合金シートの代りに、Al−0.26at％
Si合金シートを用いた他は同様の方法により超電導テー
プを製造した。このテープのJcは13Tで260A/mm²、18Tで
208A/mm²であった。

実施例４ 実施例１のAl−Ge合金シートの代りに、Al−0.26at％
Si合金シートを用いて、実施例２と同様の方法で超電導
線を製造した。この線材のJcは13Tで80A/mm²、18Tで64A
/mm²であった。

実施例５ 急冷法により製造した厚さ0.1mm、幅150mm、長さ2030
mmのAl−25.3at％Ge合金シートと厚さ0.3mmで上記と同
一の幅および長さを有するNbメッシュシートとを外径10
mmφのNbロッドの外周に重ね巻きし、これを内径40mm
φ、外径45mmφのNb管内に収容した後、その外周に厚さ
4.5mmのCu管を配置した。

このようにして得られた長さ150mm、外径55mmφの複
合体の両端を密封した後、静水圧加圧および静水圧押出
加工を２回施して外径15mmφの複合線を製造した。

この複合線に縮径加工を施して外径1.20mmφの線材と
し、次いで硝酸中に浸漬して最外層のCuを除去し外径1.
0mmφの線材を製造した。この線材に1250℃で５分間の
均質化処理を施した後、700℃で４日間の熱処理を施し
て超電導線を製造した。

このようにして得られた線材の臨界電流密度（Jc）は
13Tで442A/mm²、18Tで280A/mm²であった。

実施例６ 実施例５のAl−Ge合金シートの代りに、Al−8.3at％S
i合金シートを用いた他は同様の方法により超電導線材
を製造した。この線材のJcは13Tで400A/mm²、18Tで250A
/mm²であった。

実施例７ 実施例５のAl−Ge合金シートの代りに、Al−14.3at％
Ge4.8at％Si合金シートを用い、熱処理を２段階で施し
た他は同様の方法により超電導線を製造した。１段目の
熱処理は電子ビーム照射（60W/mm²）で施し、２段目の
熱処理は700℃で100時間施した。この線材のJcは13Tで5
00A/mm²、18Tで450A/mm²であった。

［発明の効果］ 以上述べたように本発明によれば、多数の貫通部を有
するNbまたはNb基合金シートと、Al合金シートを用いる
ことにより、極細多心構造を容易に達成することがで
き、かつ超電導特性および加工性改善のための第三元素
の添加されたNb₃Al超電導部材を容易に製造することが
できる。この超電導部材は上部臨界磁界（Hc₂）や高磁
界における臨界電流密度（Jc）等の超電導特性に優れ、
超電導マグネット形成用の実用線材として好適する。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｃ２２Ｆ 1/00 ６６１ Ｃ２２Ｆ 1/00 ６６１Ａ ６８０ ６８０ ６８５ ６８５Ｚ ６８６ ６８６Ｚ Ｈ０１Ｂ 13/00 ５６５ Ｈ０１Ｂ 13/00 ５６５Ａ (72)発明者 神定 良昌 神奈川県川崎市川崎区小田栄２丁目１番 １号 昭和電線電纜株式会社内 (72)発明者 野呂 治人 神奈川県川崎市川崎区小田栄２丁目１番 １号 昭和電線電纜株式会社内 (56)参考文献 特開 平１−140521（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−240751（ＪＰ，Ａ) 特公 昭58−5487（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) C22F 1/00 C22C 1/00 H01B 13/00 565 C22C 27/02 102

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】補強部材の外側に、多数の貫通部を有する
   厚さt₁のNbまたはNb基合金シートと、厚さt₂のAl合金シ
   ートをt₁/t₂＝0.5〜10の範囲で積層しながら巻回し、こ
   の巻回層の外側に拡散障壁および安定化材を順次配置し
   た後減面加工を施し、次いでNb₃Al生成の熱処理を施す
   ことを特徴とする第三元素添加Nb₃Al超電導部材の製造
   方法。
2. 【請求項２】補強部材の外側に、多数の貫通部を有する
   厚さt₁のNbまたはNb基合金シートと、厚さt₂のAl合金シ
   ートをt₁/t₂＝0.5〜10の範囲で積層しながら巻回し、こ
   の巻回層の外側に金属管を配置した後減面加工を施し、
   次いでNb₃Al生成の熱処理を施すことを特徴とする第三
   元素添加Nb₃Al超電導部材の製造方法。
3. 【請求項３】補強部材は、NbまたはNb合金よりなる特許
   請求の範囲第１項あるいは第２項記載の第三元素添加Nb
   3Al超電導部材の製造方法。
4. 【請求項４】Nb基合金シートおよび／またはAl合金シー
   トはGeおよび／またはSiが添加されてなる特許請求の範
   囲第１項あるいは第２項記載の第三元素添加Nb₃Al超電
   導部材の製造方法。
5. 【請求項５】Geおよび／またはSiの添加料量は Ge＝0.5〜35at％ Si＝0.1〜15at％ （Ge＋Si）＝0.1〜35at％ の範囲である特許請求の範囲第４項記載の第三元素添加
   Nb₃Al超電導部材の製造方法。
6. 【請求項６】Geおよび／またはSiの添加料量は Ge＝（１〜９）at％ Si＝（0.1〜３）at％ （Ge＋Si）＝（0.1〜９）at％ の範囲である特許請求の範囲第４項記載の第三元素添加
   Nb₃Al超電導部材の製造方法。
7. 【請求項７】拡散障壁はNb、Taあるいはこれらの合金よ
   りなる特許請求の範囲第１項、第３項または第４項いず
   れか１項記載の第三元素添加Nb₃Al超電導部材の製造方
   法。
8. 【請求項８】安定化材はCuまたはCu合金よりなる特許請
   求の範囲第１項、第３項または第４項いずれか１項記載
   の第三元素添加Nb₃Al超電導部材の製造方法。