JP3464423B2 - アルミニウム安定化超電導線の製造方法 - Google Patents
アルミニウム安定化超電導線の製造方法Info
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Description
に優れ、かつマグネットなどに使用したときに発生する
電磁力により変形することのない、充分な機械的強度を
有するアルミニウム安定化超電導線を、生産性良く製造
する方法に関する。
ス中にNb−Ti合金などの超電導フィラメントを埋込
み、その外周に、通常、安定化材として銅を被覆するこ
とにより構成されている。
抵抗比(300Kにおける電気抵抗値と10Kにおける
電気抵抗値との比)が銅より遙かに大きい高純度アルミ
ニウムを安定化材として用いたアルミニウム安定化超電
導線が開発された。
ミニウムの比重が銅の約1/3と軽いため、マグネット
などの軽量化を図ることができ、また、アルミニウムは
銅より素粒子透過性に優れているため、高エネルギー物
理学分野で多用されている素粒子検出用マグネットに有
利に用いることが出来る。
電導線は、単芯超電導線または多芯超電導撚線などの超
電導線の周囲に、アルミニウムを誘導加熱または摩擦発
熱などにより、350℃〜550℃程度の温度に急速加
熱して押出被覆する方法により製造されている。
導線に多大な電磁力が加わるため、高純度アルミニウム
を用いたアルミニウム安定化超電導線は、電磁力により
変形してしまう恐れがある。ここで、アルミニウム安定
化超電導線を冷間加工してアルミニウム安定化材を加工
硬化させることが考えられるが、高純度アルミニウム安
定化材は、冷間加工しても機械的強度の顕著な向上は望
めない。
アルミニウムに代わってアルミニウム合金で構成する方
法が検討されるようになった。
u、Zn、Si、Mgなどの固溶型合金元素を添加した
固溶型アルミニウム合金は、アルミニウム原子の配列格
子を固溶元素により歪ませて強化させるものであるた
め、高強度を得るには合金元素を多量に固溶させる必要
がある。しかし、固溶元素の多量の添加は、導電性を著
しく低下させるので、高強度と高導電性の両立は非常に
困難である。
合金は、アルミニウムに対するNiの固溶限が極めて小
さいため、添加したNiの殆どが凝固時にAlと金属間
化合物を形成し、初晶として析出して強度向上に寄与す
るが、残りの極く少量は過飽和に固溶して導電性を著し
く低下させてしまう。
元素を時効析出させる方法として、熱間押出被覆時の押
出速度を遅くし、押出機内における熱履歴により時効析
出させる方法があるが、生産性が悪く、実用的でない。
また、低速押出における熱履歴により、Nb−Tiフィ
ラメント中のα−Ti析出物や導入転位が消失して、磁
束ピンニング効果が損なわれ、マグネット特性が低下す
るという問題がある。
あるが、やはりα−Ti析出物や導入転位が消失して、
マグネット特性が低下するという問題がある。
型アルミニウム合金を用いたアルミニウム安定化材の導
電性を、生産性およびマグネット特性を低下させること
なく高める方法について研究し、析出型アルミニウム合
金に所定の時効熱処理を施したのち押出被覆することに
より、安定化材の導電性を改善し得ることを見出し、更
に研究を重ね、本発明を完成させるに至った。
れ、かつマグネットなどに使用したときに発生する電磁
力により変形することにない、充分な機械的強度を有す
るアルミニウム安定化超電導線を、生産性良く製造する
方法を提供することを目的とする。
は銅合金マトリックス中に超電導フィラメントが埋設さ
れた超電導線の外周の全体または一部に、析出型アルミ
ニウム合金からなる安定化材を熱間押出被覆する工程を
具備するアルミニウム安定化超電導線の製造方法におい
て、前記析出型アルミニウム合金は、100〜2500
0ppmのNiを含有するAl−Ni合金であり、前記
熱間押出被覆工程の前に、前記析出型アルミニウム合金
からなる安定化材に、250℃〜500℃の温度で、1
0分間以上加熱する時効熱処理を施すことを特徴とする
アルミニウム安定化超電導線の製造方法が提供される。
化超電導線の安定化材となるアルミニウムに析出型Al
−Ni合金を用い、この析出型Al−Ni合金に時効熱
処理を施して過飽和Niを充分に析出させたのち、超電
導線材の周囲に熱間押出被覆を施しているので、特性に
優れたAl安定化超電導線を、生産性を害することなく
製造することが可能である。
の外周全体に被覆されても、一部に被覆されても、本発
明においては同様に有効である。
銅合金パイプ内にNb−Ti合金棒を挿入して複合ビレ
ットとし、この複合ビレットを熱間押出しして、銅パイ
プとNb−Ti合金棒とを一体化し、次いで圧延、伸線
などの伸延加工を施して得られる単芯超電導線、この超
電導線の多数本を銅または銅合金パイプ内に充填して複
合ビレットとし、これを前述と同様に加工して得られる
多芯超電導線、この多芯超電導線の多数本を撚合わせた
多芯超電導撚線、上述の単芯超電導線、多芯超電導線、
多芯超電導撚線などの周囲に高純度Al安定化材を被覆
したAl安定化超電導線などを含むものである。
の添加元素をNiとした理由は、Niはアルミニウムに
対する固溶限が極めて小さく、時効熱処理によりその殆
どを析出させることが可能であるからである。
ppmとした理由は、100ppm未満では添加量が少
なすぎて機械的強度の顕著な向上が得られず、一方、2
5000ppmを越えると、析出物による残留抵抗比の
低下が顕著となり、時効熱処理をしても残留抵抗比の顕
著な向上が得られないからである。
理を、250℃〜500℃に限定した理由は、250℃
未満では拡散速度が遅く、過飽和Niの析出に長時間を
要するため生産性が低下し、また、500℃を超えると
時効熱処理中にNiが多量に固溶し、この固溶元素は熱
間押出被覆後も固溶量が多く、その結果導電性が低下し
て高い残留抵抗比が得られないためである。
上、[押出温度+50]℃以下であり、より好ましく
は、300℃〜450℃である。
限定した理由は、10分間未満では、過飽和Niの析出
が充分に行われず、高い残留抵抗比が得られないためで
ある。特性の観点からは、時効熱処理時間に上限制約は
ないが、生産性との兼ね合いから、好ましい時効熱処理
の時間は、30分間〜250時間である。
用いられるが、Niと同様、アルミニウムに対する固溶
限が小さく、かつ凝固時にアルミニウムとの金属間化合
物を形成するCeやSbを添加した析出型アルミニウム
合金でも、それら元素の添加量を調整すれば、本発明と
類似の効果を得ることが出来る。
調整、電位などの調整、機械的強度の向上、成形加工性
の向上などを目的として、アルミニウムに対する電気抵
抗増加率が小さいAg、As、Bi、Ca、Cd、C
u、Ga、Mg、Pb、Sc、Si、Sn、Znの中か
ら選ばれる1〜数元素を、残留抵抗比を大きく低下させ
ない範囲で微量添加しても良い。この際、これら元素の
添加量は、Al安定化材の機械的強度と残留抵抗比のバ
ランスが良好に保持されるように制御する必要がある。
Al安定化超電導線について、図を参照して具体的に説
明する。
多芯のCu/NbTi超電導線11に時効熱処理後の析
出型Al合金安定化材13を押出被覆したものである。
多芯のCu/NbTi超電導撚線12に時効熱処理後の
析出型Al合金安定化材13を押出被覆したものであ
る。
多芯のCu/NbTi超導電線11に高純度(99.9
99wt%:5N)Al14を押出被覆したものを複数
撚合わせ、その上に時効熱処理後の析出型Al合金安定
化材13を押出被覆したものである。
多芯のCu/NbTi超電導撚線12に高純度(5N)
Al安定化材14を押出被覆し、その上に時効熱処理後
の析出型Al合金13を押出被覆したものである。
多芯のCu/NbTi超電導撚線12に時効熱処理後の
析出型Al合金安定化材13を押出被覆し、その上に高
純度(5N)Al安定化材14を押出被覆したものであ
る。
多芯のCu/NbTi超電導撚線12に時効熱処理後の
析出型Al合金安定化材13を押出被覆し、押出被覆後
の一辺に高純度(5N)Al安定化材14を半田付けし
たものである。
多芯のCu/NbTi超電導撚線12に時効熱処理後の
析出型Al合金安定化材13を押出被覆し、これを断面
略コの字状の銅安定化材15内に配置して半田付けし、
開放部に板状の銅安定化材16を半田付けしたものであ
る。
より詳細に説明する。
合金線材を埋め込んだ単芯超電導線を無酸素銅製パイプ
(外径220mm,内径200mm)内に313本充填
して複合ビレットとし、次いで、この複合ビレットに熱
間押出加工および伸線加工を施して、外径0.6mmの
多芯Cu/NbTi超電導線を作製した。
0ppm含有させた析出型Al合金材を用意し、これを
本発明の範囲内の種々の条件で時効熱処理したのち、前
記多芯Cu/NbTi超電導線の外周に450℃で押出
被覆して、外径2.4mmのAl被覆棒材を得た。
に冷間伸線加工して、8種の図1(a)に示すアルミニ
ウム安定化超電導線を製造した。
高純度(5N)AlにNiを100ppm含有させたA
l−Ni合金を用い、これを本発明の範囲内の種々の条
件で時効熱処理したことを除いて、実施例1と同様にし
て、3種の図1(a)に示すアルミニウム安定化超電導
線を製造した。
高純度(5N)AlにNiを25000ppm含有させ
たAl−Ni合金を用い、これを本発明の範囲内の種々
の条件で時効熱処理したことを除いて、実施例1と同様
にして、3種の図1(a)に示すアルミニウム安定化超
電導線を製造した。
理条件を本発明の範囲外で種々変化させたことを除い
て、実施例1と同様にして、13種の図1(a)に示す
アルミニウム安定化超電導線を製造した。
々の図1(a)に示すアルミニウム安定化超電導線につ
いて、残留抵抗比、4.2Kにおける0.2%耐力(機
械的強度)、臨界電流値(以下Icと略記する)、およ
びマグネット特性(クエンチ電流と最大発生磁界)を調
査した。その結果を下記表1に示す。
化超電導線から長さ1mの短尺線を切り取り、これに液
体He中(4.2K)にて5Tの磁場をかけた状態で電
流を流し、電流を徐々に増加させて抵抗が10-13 Ωm
に達した時の電流値で表した。
アルミニウム安定化超電導線を内径20mm、外径15
0mmのコイルに巻いてマグネットを作製し、クエンチ
電流はマグネットの超電導状態が破れた時の電流とし、
最大発生磁界は中心に置いたホール素子により測定し
た。なお、マグネットは276A通電した時に5Tの磁
界が発生するように設計した。
アルミニウム安定化超電導線(No.1〜14)は、いず
れも残留抵抗値、0.2%耐力、Icが高く、しかもク
エンチ電流が277A以上、最大発生磁界が5Tを超え
る良好なマグネット特性(クエンチ電流と最大発生磁
界)を示した。
処理を行わなかったため、No.16,17,21,23
は時効熱処理温度が低いため、No.18は時効熱処理時
間が短すぎたため、いずれも過飽和固溶している不純物
元素が充分に析出出来なかった。
熱処理温度が高すぎたため、アルミニウム中への不純物
元素の固溶限界が大きく、固溶量が多くなってしまっ
た。また、No.25はNi析出量が少なすぎたため、残
留抵抗値は高いものの、機械的強度が低く、機械的な撹
乱によりクエンチしてしまった。
多いために金属間化合物量が多く、残留抵抗比が低すぎ
て、時効熱処理の効果が得られなかった。
よると、アルミニウム安定化超電導線のアルミニウム安
定化材として、Ni添加量が100〜25000ppm
の析出型Al−Ni合金を用い、この析出型Al−Ni
合金を、所定の温度および時間、時効熱処理したのち、
超電導線に押出被覆しているので、熱的電気的安定性に
優れ、かつマグネットなどに使用したときに発生する電
磁力で変形しない、充分な機械的強度を有するアルミニ
ウム安定化超電導線を、生産性良く製造することが可能
である。
果を奏する。
化超電導線を示す横断面図。
Claims (5)
- 【請求項1】銅または銅合金マトリックス中に超電導フ
ィラメントが埋設された超電導線の外周の全体または一
部に、析出型アルミニウム合金からなる安定化材を熱間
押出被覆する工程を具備するアルミニウム安定化超電導
線の製造方法において、前記析出型アルミニウム合金
は、100〜25000ppmのNiを含有するAl−
Ni合金であり、前記熱間押出被覆工程の前に、前記析
出型アルミニウム合金からなる安定化材に、250℃〜
500℃の温度で、10分間以上加熱する時効熱処理を
施すことを特徴とするアルミニウム安定化超電導線の製
造方法。 - 【請求項2】前記時効熱処理は、250℃以上、[押出
温度+50℃]以下の温度で行われることを特徴とする
請求項1に記載の方法。 - 【請求項3】前記析出型アルミニウム合金は、 As、
Bi、Ca、Cd、Cu、Ga、Mg、Pb、Sc、S
i、Sn、およびZnからなる群から選ばれた少なくと
も1種を含有するAl−Ni合金であることを特徴とす
る請求項1に記載の方法。 - 【請求項4】前記超電導線は、銅または銅合金マトリッ
クス中に複数本の超電導フィラメントが埋設されてな
り、その外周に、高純度アルミニウムからなる安定化材
が被覆されていることを特徴とする請求項1に記載の方
法。 - 【請求項5】前記熱間押出被覆工程の後に、前記安定化
材が被覆された超電導線の全周または1部に、高純度ア
ルミニウムまたは銅からなる安定化材を被覆する工程を
更に具備することを特徴とする請求項1に記載の方法。
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