JP3178317B2 - 高強度超電導線材 - Google Patents

高強度超電導線材

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  • Superconductors And Manufacturing Methods Therefor (AREA)
  • Wire Processing (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は超電導マグネット等
に用いられる高強度超電導線材、特にNb3 Sn系超電
導線材に関するものである。
【0002】
【従来の技術】Nb3 Sn系超電導線材は、約25Tの
臨界磁界特性を有し、10T以上の磁界の超電導マグネ
ットに広く使用されている。しかしながら、Nb3 Sn
等の化合物系電導線材は機械的な歪みをを受けることに
より特性、特に臨界電流特性が劣化するという欠点を有
する。
【0003】超電導マグネットでは、マグネットの磁界
と通電電流によって常にマグネット内の超電導線材には
電磁力が作用し線材に機械的な歪みが生ずる。このた
め、Nb3 Sn系超電導線材による超電導マグネットの
設計においては電磁力の作用による線材の特性変化を考
慮した複雑な設計を必要とし、高強度特性を有する線材
の出現が待たれている。
【0004】Nb3 Sn系超電導線材による超電導マグ
ネットは、600〜750℃の温度で長時間のNb3
n系化合物生成熱処理によって最終的に形成される。こ
の理後の一般的な線材の断面構成のNb3 Sn系化合物
フィラメントを除くCu基合金マトリックス、拡散障壁
層(拡散バリア)、安定化材層は軟化し、十分な強度が
得られなかった。
【0005】これに対し、Nb3 Sn系超電導線材の高
強度化の方策として、イン・サイチュ(in situ )法に
より制作されたCu/Nb複合材を補強材として線材断
面内に複合することが知られている(低温工学,vol.2
8,No.8,pp 446〜451,1993)。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】前記した従来技術で
は、補強材として用いるCu/Nb複合材の制作におい
ては、Cu−Nb合金の溶解、鋳造が必要となる。この
補強材の強度を支配する要因として、鋳造時のNbデン
ドライトの間隔があげられる。これは鋳造温度、冷却速
度、溶湯中の濃度等の条件により変化し、均一な鋳造材
を得ることは困難である。つまり、安定した強度特性を
有する補強材製作が困難となり、これを複合した超電導
線材の強度特性がばらつき易いという難点がある。
【0007】また、in situ 法によるCu/Nb複合材
中のNbの体積比は、溶解鋳造性の観点から高くできな
いためにCu/Nb複合材の強度に限界があるといった
課題を有している。
【0008】本発明の目的は、前記した従来技術の欠点
を解消し、強度特性が安定した高い強度特性を有する超
電導線材を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明の要点は、超電導
線材の補強材として、Nb、Ta、Vの中の少なくとも
一種のシート材とCuのシート材とを交互に積層した積
層複合材を母材として製作される複合材を用いたことに
ある。
【0010】
【発明の実施の形態】Nb、Ta、Vの中の少なくとも
一種のシート材とCuシート材を交互に積層し、それを
母材として押出し、引抜き、圧延等の減面加工を加える
と、層状組織が崩れ、Nb、Ta、V等の体積比が高け
ればCuが、Cuの体積比が高ければNb、Ta、V等
が分散繊維状となって一種の分散複合材が形成される。
この分散複合材の強度は非常に高くなり、室温で200
0MPaを超える強度を得ることがも可能である。
【0011】本発明は、この現象を適用したものであ
り、厚さ一定のNb等のシート材とCuシート材の積層
複合体を母材として製作されるため、複合材中のNb等
/Cuの体積比が一定となり安定した強度特性を有する
補強材が得られるが、超電導線材の強度を0.2%耐力
の比較で補強材を複合しない超電導線材の1.5倍を目
安にすると、補強材におけるNb等とCuの体積比は
5:1〜1:5の範囲であることが望ましい。
【0012】そのような補強材はNb等のシート材とC
uのシート材を積層したものを寿司巻き状の積層複合体
にしたり、両シート材を板厚方向に単純に積み上げて複
合積層体を形成し、押出し、圧延、引抜き等の減面加工
により容易に製作できる。
【0013】この補強材は、予め加工したものを押出あ
るいは引抜のための超電導線材用母材へ組み込んでもよ
いし、積層複合体として超電導線材用母材へ組み込み、
超電導線材に加工することで補強材としてもよい。
【0014】そのような補強材を構成するNbとして
は、残留抵抗比が50以上の工業用純Nb、あるいはT
a、V、Ti、Hf、Zrの少なくとも一元素を5原子
%以下含んだNb基合金をシート材及び巻芯として適用
することができる。またNbあるいはNb基合金の代わ
りにTaあるいはTa基合金、VあるいはV基合金をシ
ート材、芯材としても同等の効果が得られる。
【0015】もう一方の構成材であるCuとしては工業
用純Cu、あるいはNi、Si、Zn、Fe、Mn、T
i、Zr、Nb、Ta、Vの少なくとも一元素が30重
量%以下添加されたCu基合金が適用可能である。
【0016】このような複合材と複合される超電導線材
は、Nb3 Sn系に限らず、Nb3Al系、Nb−Ti
系、酸化物系の製作に応用し、それらの超伝導線材の強
度向上させることが可能である。
【0017】
【実施例】本発明の実施例について説明すると、図1は
本発明における実施例、比較例として製作した線径0.
9mmのブロンズ法Nb3 Sn系超伝導線材の断面構成の
概略を示す。
【0018】この超伝導線材はCu−Sn系合金(ブロ
ンズ)のマトリックス中に多数のNbフィラメントが分
散配置された複合体1を線材の中心に配し、それをTa
による拡散バリア層2で覆い、その周囲にNb/Cu補
強材層3、更に安定化銅の層4を配した構成である。
【0019】断面構成は、(Nb/Cu補強材+安定化
銅)と(拡散バリア+複合材)の断面積比を1.6と
し、安定化銅とNb/Cu補強材の面積比を1:2とし
た。また、複合体1におけるNbフィラメントは純Nb
とし、ブロンズとNbフィラメントの断面積比を2.9
とし、フィラメントのサイズを1.9μmとした。
【0020】実施例、比較例に用いたNb/Cu補強材
の製作諸元を表1に示す。
【0021】Nbはシート材、巻芯とも純Nb材であ
り、Cuシートには無酸素銅を用いた。表1中、比較例
3はNb/Cu補強材を複合しない断面構成の線材であ
る。
【0022】
【表1】
【0023】図2は、Nb/Cu補強材の母材となる積
層複合体の積層工程の概要を示したもので、直径6mmの
Nb製の巻芯5に、その長さと同じ幅をもったCuシー
ト6とNbシート7を多層に重ね巻きして積層複合体と
される。
【0024】このようにして得た積層複合体を外径28
mm、内径24.6mmのCu管の中に挿入して押出用ビレ
ットを作製した。これを静水圧押出しにより加工した
後、更に引抜加工し、図3に示すような断面構成の対辺
長0.93mmの六角断面形状の線材9とした。なお、図
3中、8は前記Cu管の変形物であるCu層を示す。
【0025】その後、前記線材9を定尺に切断し、硝酸
中で外層のCu層8を除去し、Nb3 Sn系超伝導線材
用の押出ビレットにおけるNb/Cu補強材層の形成部
材とした。実施例、比較例におけるNb/Cu補強材の
総加工度は、断面積比で6.9×105 である。
【0026】得られた各線材について、650℃×20
0時間のNb3 Sn系化合物生成熱処理を施した後、
4.2Kにおける単軸引張試験により0.2%耐力を測
定した。その結果を表2に示す。
【0027】引張試験は、ゲージ長100mm、歪み速度
6×10-4の条件で行い、引張りストロークを伸びとし
た。
【0028】
【表2】
【0029】表2の結果から、Nb/Cu補強材を複合
しない比較例3の0.2%耐力が102MPaであるの
に対し、実施例ではいずれも50%以上0.2%耐力が
向上していることが判り、実施例2では約2倍もの値が
得られた。一方、Nb/Cu補強材3中のNbとCuの
体積比が5:1よりNbリッチ側となっている比較例
1、1:5よりCuリッチ側となっている比較例2は、
ともに比較例3より高い値を示しているが、強度が十分
でないことが判る。
【0030】図4は本発明の別の例においてNb,Cu
シート材を巻き付けてNb/Cu補強材層を形成する方
法を示し、Nb/Cu補強材を一旦図3に示すような形
状に成形して用いる代わりに、バリア層42内にブロン
ズ/Nb複合体41を組込み、バリア層42の外周に直
接Cuシート61とNbシート71を積層して巻き上
げ、それを図5に示すように、Cu管58の中に挿入し
て押出あるいは引抜用の母材としたものである。
【0031】図6は本発明の別の例を示す。この例は図
5に示す断面構成のNb3 Sn系超電導線材をサブエレ
メント11とし、それをCuマトリックス10内に多数
分散配置したものである。図6中、61はブロンズ/N
b複合体、62は拡散バリア、63はNb/Cu補強
材、64は安定化Cu層である。
【0032】図7は本発明の別の例を示す。この例はN
b/Cu補強材73を線材の中心に配し、その周囲に拡
散バリア72、ブロンズ/Nb複合体71、拡散バリア
75、安定化Cu74の各層を順に同心円状に配した断
面構成としたものである。
【0033】図8はまた本発明の別の例を示す。この例
は拡散バリア82、安定化Cu85に覆われたブロンズ
/Nb複合体81からなる線材をサブエレメント12と
し、それをNb/Cu補強材83の周囲のCuマトリッ
クス10内に多数分散配置したものである。
【0034】図7、図8の例における中心のNb/Cu
補強材73及び83は、図3に示す六角断面の線材の集
合体あるいはNb、Cuシート材の積層複合体のいずれ
であっても差支えない。
【0035】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、超電導線材を使用した超電導マグネットにお
ける強大な電磁力に十分絶えることのできる強度を有す
る高強度な超電導線材を提供できる。その結果、Nb3
Sn系超電導線材を使用した高磁界マグネットの設計が
容易となり、信頼性の高い高磁界マグネットが実現可能
となる等の効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例に用いた超電導線材の断面構成
の概略を示す図。
【図2】本発明の実施例に用いたNb/Cu補強材の形
成母材となる積層複合体の製作模式図。
【図3】本発明の実施例に用いたNb/Cu補強材層形
成部材の断面図。
【図4】本発明に係る超電導線材の別の例におけるNb
/Cu補強材層を成形する方法を示す図。
【図5】図4に示す複合体を銅管と複合した様子を示す
図。
【図6】本発明に係る超電導線材の別の例を示す断面
図。
【図7】本発明に係る超電導線材の別の例を示す断面
図。
【図8】本発明に係る超電導線材の別の例を示す断面
図。
【符号の説明】
1、61、71及び81 ブロンズ/Nb複合体 2、72、75及び82 拡散バリア 3、63、73及び83 Nb/Cu補強材 4、74及び84 安定化Cu 5 Nbの巻芯 6、46 Cuシート 7、47 Nbシート 8 Cu層 9 線材 10 Cuマトリックス 11 サブエレメント
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01B 12/00 - 13/00

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】Nb、Ta、Vあるいはそれらの金属をベ
    ースとする合金のシート材とCuあるいはCu基合金の
    シート材を交互に積層した積層複合体より形成された分
    散繊維状の分散複合材が補強材として線材の断面内に
    合されていることを特徴とする高強度超電導線材。
  2. 【請求項2】補強材におけるNb、Ta、Vあるいはそ
    れらの金属をベースとする合金とCuの体積比が5:1
    〜1:5の範囲である請求項1に記載の高強度超電導線
    材。
  3. 【請求項3】超電導フィラメント群の外周に補強材が層
    状に配置されている請求項1または請求項2に記載の高
    強度超電導線材。
  4. 【請求項4】補強材がサブエレメントにおける超電導フ
    ィラメント群の外周に層状に配置されている請求項1ま
    たは請求項2に記載の高強度超電導線材。
  5. 【請求項5】補強材が線材の中央に配置されている請求
    項1または請求項2に記載の高強度超電導線材。
  6. 【請求項6】超電導体がNb3Sn系のものである請求
    項1ないし請求5のいずれか1に記載の高強度超電導線
    材。
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