JP3489313B2 - Nb3Al系超電導線材の製造方法 - Google Patents

Nb3Al系超電導線材の製造方法

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    • Y02E40/60Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment

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

Description

【発明の詳細な説明】 【0001】 【発明の属する技術分野】本発明は超電導線材、特にN
3 Al系超電導線材に関するものである。 【0002】 【従来の技術】超電導核融合装置、電力貯蔵装置あるい
は物性研究用高磁界マグネット等の高い磁界を必要とす
る装置においては、高い磁界における臨界電流密度が高
く、かつ運転中に超伝導線材に作用する電磁力によって
生ずる機械的歪みによる臨界電流密度の劣化が小さいN
3 Al系超電導線材の適用が期待されている。 【0003】Nb3 Alは、Nb−Al平衡状態図か
ら、1600℃以上の高温下においてのみ安定に存在す
る非平衡相であり、それ以下の温度では、化学量論組成
からのずれが大きくなるため、臨界温度Tc及び上部臨
界磁界Bc2 が低下し、高い磁界マグネットへの適用が
困難とされてきた。 【0004】このような特徴を有するNb3 Alの製法
は、Nb/Al複合体を1600℃以上の高温に加熱
し、それを急冷することでNb3 Al相を析出させる析
出法と、Nb及びAl相を数10〜数100nmオーダ
ーに微細化させ、600〜1050℃の比較的低温でN
3 Alを拡散反応させる拡散法に大別できる。 【0005】ここで20T以上の高磁界中での使用を考
えた場合、上部臨界磁場の高いものが必要となる。前述
したように、拡散法による製法では化学量論からのずれ
が大きくなり、その結果、上部臨界磁場が低くなるため
20T以上の高磁界下での実用的な使用は困難である。
このような理由により化学量論に近く上部臨界磁場の高
いNb3 Alは析出法による生成が望まれる。 【0006】析出法によるNb3 Al系超電導線材は、
Nb/Al複合線材を自己通電により短時間で1500
〜2000℃の高温に加熱し、そこから急冷すること
(以下、急熱急冷処理という。)でNb−Al過飽和固
溶体を得、これに2次熱処理を施すことでNb3 Al相
を得る方法が提案されている。通電加熱後のNb−Al
過飽和固溶体は延性があり、コイル等の形成はこの段階
で行うことができる。 【0007】このような方法により化学量論に近く、高
磁界特性に優れたNb3 Al系超電導線材を得るには、
Nb/Al複合線材に急熱急冷処理を施すことでNb−
Al過飽和固溶体を得、コイルを形成し、650〜10
50℃以下の追加熱処理(2次熱処理)を行う必要があ
る。従来技術では急熱急冷処理によりNb−Al過飽和
固溶体を得るが、コイル形成時に機械的歪みが線材に加
わる以外は意図的な機械的歪みが加わらないことを特徴
としている。 【0008】 【発明が解決しようとする課題】Nb3 Alの生成効率
の一つは、Nb−Al過飽和固溶体からの2次熱処理条
件に依存する。Nb−Al過飽和固溶体はNb3 Alよ
りも内部エネルギーの高い不安定な状態にあるため、外
界からの刺激により、より安定なNb3 Alに変化す
る。Nb3 Alの生成効率の向上にはNb−Al過飽和
固溶体の内部エネルギーを増加することで更に不安定な
状態とし、Nb3 Al相析出に必要なエネルギーを低減
する必要がある。 【0009】従来技術ではNb−Al過飽和固溶体の内
部エネルギーを増加させることなく2次熱処理による刺
激のみでNb3 Alの生成を行っているため、Nb3
l以外の化合物の析出もありNb3 Alの生成効率がよ
くなく、臨界電流密度が低くなるという問題点を有して
いた。 【0010】本発明の目的は、前記した従来技術の欠点
を解消し、臨界電流密度特性の優れたNb3 Al系超電
導線材を提供することにある。 【0011】 【課題を解決するための手段】従来技術の欠点を解消す
るには、急熱急冷処理によって得られるNb−Al過飽
和固溶体の内部エネルギーを増加させることでNb3
lの析出を容易にし、Nb3 Alの生成効率を向上させ
る必要がある。 【0012】本発明の要点は、Nb−Al過飽和固溶体
に強制的に機械的な歪みを加えることでNb−Al過飽
和固溶体の内部エネルギーを増加させ、Nb3 Alの生
成効率を向上させたことにある。 【0013】歪みの大きさに関しては、5.0×10-3
以下の歪みでは効果がなく、1.0×10-1以上の歪み
では線材あるいはフィラメント部の破損が発生するため
歪み付加の範囲は5.0×10-3〜1.0×10-1が望
ましい。 【0014】Nb/Al比に関しては、化学量論付近で
NbとAlを複合させることでNb/Al複合部に均一
にNb−Al過飽和固溶体を生成でき、フィラメントの
長手方向及び垂直方向に対し連続的にNb3 Al相を析
出できる。後述する実施例からこの比は2.5〜3.3
の範囲であることが望ましい。 【0015】 【発明の実施の形態】急熱急冷処理によって得られるN
b−Al過飽和固溶体に強制的に機械的歪みを付加する
ことで、内部エネルギーが増加し、より不安定なエネル
ギー状態となる。この過程で相変態が誘発され、Nb3
Al生成の核の形成が起こり、Nb−Al過飽和固溶体
全域の部のNb3 Al生成効率が向上する。 【0016】機械的歪みを付加する場合、Nb−Al過
飽和固溶体部分に均一に付加することが望ましい。歪み
が付加される部分が多いほど線材全体のNb3 Al生成
効率は向上するため、特に線材中心付近への歪み付加が
特性向上への重要な因子となる。このため、引張り、ス
ウェージング等の加工による歪み付加が効果的である。
作業性を考慮した場合、線材中心部の歪みは小さいが、
曲げや線引きによる歪み付加が有効である。 【0017】以上のような機械的歪みの付加によりNb
3 Alの生成効率が向上し、臨界電流密度が向上する。 【0018】なお、Nb/Al複合線材の製作方法は、
チューブ法、CCE法、粉末法等Nb及びAlの複合が
可能であれば、どのような方法でもよい。 【0019】 【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。 【0020】(実施例1)厚さ90μmのNbシート材
と、厚さ30μmのAlシート材を重ね合わせ、外径
6.0mmのNb製の巻芯の周囲に隙間なく巻き付けてジ
ェリーロール積層複合体を製作した。 【0021】次に、得られたジェリーロール積層複合体
をNb管に挿入た後、これを更にCu管中に挿入し、両
端を封じて単芯線用のビレットとした。 【0022】そのビレットを静水圧押出機を用いて室温
で押出加工し、その線材をダイスを用いて引抜加工して
六角断面の単芯線材に加工した後、外被のCuを除去し
て単芯線とした。 【0023】次に、この単芯線を整直矯正後、所定の長
さに切断し、洗浄した六角断面の単芯線材を分数本を工
業用純Nb管中に挿入し、これを更にCu−Ni合金製
の管に挿入した後、両端を封じて多芯線用のビレットを
製作した。 【0024】このビレットを静水圧押出しと引抜加工に
より所定の線径に加工した後、外皮のCu−Ni合金を
除去して多芯線とした。この多芯線はマトリックス比を
1、単芯線材のマトリックス比を0.2として製作し
た。ツイストピッチは35mmとした。 【0025】得られた多芯線の断面概要を図1に示し、
図中、1は単芯線部、2はNbマトリックスである。 【0026】次に得られた多芯線について、急熱急冷処
理を行った。図2はその急熱急冷処理を行った装置の模
式図である。 【0027】まず、前記の工程により得られた多芯線3
は、内部が真空(2×10-5Torr)に保たれた容器
4内に設置された供給リール5から所定の速度(例えば
1m/秒)で繰り出され、図2に示すような経路で巻取
リール9ヘ送られる。この経路中、多芯線3は銅製の電
極ロール6と7の間で通電され、電極ロール6と液体G
a浴8の液面との間(例えば10cm)で約1600℃に
加熱され、その後すぐ液体Ga中で約40℃に急冷さ
れ、Nb−Al過飽和固溶体が生成されて巻取リール9
に巻き取られる。尚、図2中、10は定電圧直流電源、
11はレコーダを示す。 【0028】次に、このようにしてNb−Al過飽和固
溶体が生成された多芯線に、その通路において左右上下
の曲げを繰り返す曲げ加工により4.5×10-3の歪み
を付加した。 【0029】(実施例2)実施例1と同様の線材に、曲
げ加工により5.0×10-2の歪みを付加した。 (実施例3)実施例1と同様の線材に、曲げ加工により
1.0×10-1の歪みを付加した。 (実施例4)実施例1と同様の線材に、スウェージング
加工により1.0×10-1の歪みを付加した。 【0030】(実施例5)実施例1と同様の線材に、引
張り加工により4.5×10-3の歪みを付加した。 【0031】(比較例1)実施例1と同様の線材に、曲
げ加工を付加しなかった。 【0032】(比較例2)実施例1と同様の線材に、曲
げ加工により1.0×10-3の歪みを付加した。 (比較例3)実施例1と同様の線材に、曲げ加工により
1.5×10-1の歪みを付加した。 (比較例4)実施例1と同様の線材に、曲げ加工により
2.0×10-1の歪みを付加した。 (比較例5)実施例1で厚さ100μmのNbシート
を、厚さ72μmのNbシートに替え、実施例1と同様
に線材製作を行い、曲げ加工により4.5×10-3の歪
みを付加した。 【0033】(比較例6)実施例1で厚さ100μmの
Nbシートを、厚さ110μmに替え、実施例1と同様
に線材製作を行い、曲げ加工により4.5×10-3の歪
みを付加した。 【0034】以上のようにして得た各例の多芯線につい
て非マトリックス部の臨界電流密度を測定した。その結
果を線材諸元、機械的歪み付加法と合わせて表1に示
す。 【0035】なお、外部磁界22Tにおける非マトリッ
クス部の臨界電流密度は、2次熱処理条件を800℃×
10時間として得られた特性であり、1μV/cm基準で
求めた結果である。 【0036】 【表1】 【0037】この結果からも判るように、線材に強制的
に機械的歪みを付加した線材の非マトリックス部の臨界
電流密度は160A/mm2 以上となり、従来法である比
較例1〜3の非マトリックス部の臨界電流密度129A
/mm2 に比較し、約20〜50%以上の向上が見られ
る。また、Nb/Al比が2.5〜3.3からずれてい
る線材は曲げ加工による機械的歪みを加えても臨界電流
密度が低いことがわかる。 【0038】 【発明の効果】従来の急熱急冷処理によるNb3 Al系
超電導線材では、比較的良好な臨界電流密度が得られて
いたが、Nb−Al過飽和固溶体からのNb3 Alの生
成効率が良くなく、マグネットへの応用を考えたとき、
Nb3 Al生成効率向上に伴う臨界電流密度の向上が望
まれていたが、本発明により機械的歪みをNb−Al過
飽和固溶体に付加することで、Nb3 Alの生成効率が
向上し、22Tの高磁界において高臨界電流密度のNb
3 Al系超伝導線材の製作が可能となった。これにより
高磁界マグネットへの応用が十分可能となる。
【図面の簡単な説明】 【図1】本発明に係る方法により得られたNb/Al複
合多芯線の断面概要を示す図。 【図2】Nb/Al複合体からNb−Al過飽和固溶体
を得るために用いる装置の模式図。 【符号の説明】 1 Nb/Al複合体による単芯線部 2 Nbマトリックス 3 多芯線 6、7 電極ロール 8 液体Ga浴 10 直流電源
───────────────────────────────────────────────────── 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 (1)

  1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項1】NbあるいはNb基合金からなる第1の金
    属のシート材とAlあるいはAl基金属からなる第2の
    金属のシート材を交互に積層、重ね巻きしてなる積層複
    合体を減面加工して単芯線とし、複数前記単芯線を
    わせて所定の線径まで減面加工して多芯の複合体とな
    し、前記複合体に急熱急冷処理を施してNb−Al過飽
    和固溶体を得、これに二次熱処理を施すことでNb3
    l層を生成させるNb3Al系超伝導線材の製造方法に
    おいて、前記第1の金属と前記第2の金属との比が2.5:1〜
    3.3:1である Nb−Al過飽和固溶体を得た後、
    複合体に5.0×10-3〜1.0×10-1の機械的歪
    みを付加することを特徴とするNb3Al系超伝導線材
    の製造方法。
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