JP3629527B2 - Ｎｂ３Ａｌ化合物系超電導線材の製造方法及びその方法により得られる超電導線材 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｎｂ_３ Ａｌ化合物系超電導線材の製造方法に関し、特にＮｂ_３ Ａｌ化合物系超電導線材外周への強固な安定化材層の付与を含む製造方法及びそれにより得られた超電導線材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
Ｎｂ_３ Ａｌ化合物系超電導線材は、超電導線材として一般的なＮｂ_３ Ｓｎ及びＮｂＴｉに比較して、高磁界における臨界電流密度特性に優れているため、物性研究用の高磁界ＮＭＲマグネット等の超電導材料として実用化が期待されている。Ｎｂ_３ Ａｌ化合物系超電導線材は、一般に、ＮｂまたはＮｂ合金とＡｌまたはＡｌ合金からなる複合材を高融点金属またはその合金マトリックスで囲繞したシングル線材を複数本組み合わせ、それらの外周を高融点金属またはその合金マトリックスで囲繞したマルチ構造を有しており、いかに述べる製法により、線材中にＮｂ_３ Ａｌ化合物を生成させ、所定の超電導特性を得られるようにしている。
【０００３】
Ｎｂ_３ Ａｌ化合物系超電導線材の製法の主なものは現在のところ、拡散法と急熱急冷・変態法の２つである。拡散法はＮｂとＡｌを所定の組成で複合し、相互の拡散距離をサブミクロンオーダーまで小さくした後、６００〜１０５０℃位の条件で加熱処理し、固相拡散によりＮｂ_３ Ａｌ化合物を生成させる方法である（「ジェリーロール法Ｎｂ_３ Ａｌ超電導線材の開発」、住友電気、第１３９号（１９９１））。もう一つの急熱急冷・変態法は、やはり所定の組成で複合した線材を１５００℃以上まで加熱し、即座に急冷することでＮｂ−Ａｌ過飽和固溶体を生成させ、その後６００〜１０５０℃位の温度で再度加熱処理することでＮｂ_３ Ａｌ相を析出させる方法である（特公平６−４４４２７号、科学技術庁金属材料技術研究所）。
【０００４】
ところで、Ｎｂ_３ Ａｌ化合物は１５００℃以上もの高温でのみ安定な化合物で、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、臨界電流密度をはじめとする線材特性が低下してしまうという欠点がある。前者の拡散法による線材の場合、加熱処理温度が低いため化学量論組成からのずれにより、高磁界ＮＭＲマグネット等への応用を想定した場合、２０Ｔ以上もの高磁界での臨界電流密度が低く要求特性を満たすことができない。
【０００５】
従って、高磁界ＮＭＲマグネット用導体などへの適用を考えた場合、現在の諸金属系超電導線材のなかでは、後者の急熱急冷・変態法による線材が唯一の材料となっている。
【０００６】
従来の急熱急冷・変態法による製法は、例えば、ジェリーロール法による場合、次のようである。ＮｂまたはＮｂ合金シートとＡｌまたはＡｌ合金シートを積層密巻きしたのちＮｂまたはＮｂ合金パイプに詰め、押出加工や伸線加工を経てシングル線を作製する。このシングル線作製においては密巻き時の芯棒は使用しても、使用しなくても構わない。次にシングル線を複数本使用して、再度ＮｂまたはＮｂ合金パイプに組み込み、押出や伸線を経て母材となるＮｂ／Ａｌ複合マルチ線材を得る。複合マルチ線材組み込み時においては、Ｎｂ／Ａｌ複合シングル線以外に、ＮｂまたはＮｂ合金からなるダミー線材を組み合わせて組み込むことも行われている。このＮｂ／Ａｌ複合マルチ線材を急熱急冷してＮｂ−Ａｌ過飽和固溶体を生成させ、その後変態熱処理を加えてＮｂ_３ Ａｌ化合物を析出させる。
【０００７】
また、従来法における母材用シングル線材の作製法においては、上記に示したジェリーロール法以外にも、ＮｂまたはＮｂ合金パイプにＡｌまたはＡｌ合金棒を挿入して押出や伸線により作製する方法や、この逆にＡｌまたはＡｌ合金パイプにＮｂまたはＮｂ合金棒を挿入して押出や伸線により作成する方法がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
超電導線材を超電導マグネット用導体として使用する場合、運転中のクエンチ時にも線材を焼損しないように、線材の最外周には安定化材層を付与する必要がある。しかし、急熱急冷・変態法で作製した線材は、急熱急冷処理時に線材温度が１，５００℃以上になり、例えば、銅（Ｃｕ）の融点の１，０８３℃を超えてしまうために予め安定化材としての銅を表面に付与しておくことができない。従って、急熱急冷・変態法Ｎｂ_３ Ａｌ線材においては線材に安定化材層が複合化されておらず、線材表面はＮｂで構成されている。
【０００９】
ところで、従来の実用超電導線材であるＮｂ−Ｔｉ線材やＮｂ_３ Ｓｎ線材では、ＣｕとＮｂもしくはＮｂ基合金の複合体を大きな（変形率１０^６ 程度）伸線加工を加えることで、Ｎｂ表面の酸化膜を破壊して、良好なＣｕ／Ｎｂ接合を得ている。
【００１０】
一方、急熱急冷処理後に銅を複合化する場合、Ｎｂ表面の強固な酸化皮膜のために複合化することが非常に困難である。さらには、空気中や水中においては、Ｎｂ表面に直ちに酸化皮膜が生成してしまう。Ｎｂ−Ｔｉ線材やＮｂ_３ Ｓｎ線材のように強加工により複合化することも困難である。このような理由から、例えば、電気メッキ等によって線材表面に銅を付与しても、被覆層と線材間の密着性が乏しく、マグネット作製時におけるコイル巻などにおいて簡単に剥離してしまう。
【００１１】
そこで本発明の目的は、前述した従来技術の欠点を解消し、いわゆる急熱急冷・変態法においても密着性に優れた安定化材層を複合化できるＮｂ_３ Ａｌ化合物系超電導線材の製造方法とその方法により得られた線材を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明では、ＮｂまたはＮｂ合金とＡｌまたはＡｌ合金からなる複合材を高融点金属またはその合金マトリックスで囲繞したシングル線材を複数本組み合わせ、それらの外周を高融点金属またはその合金からなるマトリックスで囲繞したマルチ線材を、所定温度以上に通電加熱後直ちに冷却しＮｂ−Ａｌ過飽和固溶体を生成させ、次いで再度熱処理することによりＮｂ_３ Ａｌ相を析出させる、Ｎｂ_３ Ａｌ化合物系超電導線材の製造方法において、マルチ線材の最外周に安定化材を複合化するに際し、通電加熱後直ちに冷却した後もしくは再度加熱処理後に、物理蒸着法により安定化材層を形成することを特徴とするＮｂ_３ Ａｌ化合物系超電導線材の製造方法を提供する。
【００１３】
ここで、本発明にいう物理的蒸着法とは、高真空中で蒸着物質を高エネルギー粒子として目的物に衝突させ析出させる方法をいい、蒸着条件、蒸発源等に応じて適宜分類されている、イオンプレーティング法、イオンビーム蒸着法、スパッター法、電子ビーム加熱法、高周波加熱法、抵抗加熱法を含む。このうち特にイオンプレーティング法は、蒸着物質をプラズマ中を通すことにより、励起及びイオン化して高エネルギー粒子として目的物に衝突させ析出させる方法であり、本発明に好適に使用できるものである。物理蒸着法により安定化材層を形成することにより、Ｎｂのように活性な金属で空気中や液体中では直ちに酸化膜を形成してしまう材料をマトリックスとするマルチ線材の場合であっても、真空中での処理であるためにマルチ線材表面に酸化膜が生成されにくく、かつコーティング物質粒子の衝突によって酸化膜も破壊されるため、金属同士の接触を得やすく、同時に衝突によるマルチ線材表面へのアンカー効果も大きくなるために、安定化材層とマルチ線材との密着が非常に強固となる。
【００１４】
本発明の好ましい例では、安定化材層が、銅、銅合金、銀または銀合金のいずれか１つからなり、前記物理蒸着法がイオンプレーティング法である。
【００１５】
物理蒸着法による安定化材層はそれ自身で安定化材層全体を構成してもよく、一方、それを比較的薄い膜の第１の安定化材層として形成後、それを下地層としてその外周に第２の安定化材層を形成してもよい。第２の安定化材層は、物理蒸着法によっても、それ以外の電気めっき法または類似の膜形成方法によって形成してもよい。
【００１６】
本発明のＮｂ_３ Ａｌ化合物系超電導線材の製造方法は、１，５００℃以上まで通電加熱した後直ちに冷却することでＮｂ−Ａｌ過飽和固溶体を生成させ、その後、さらに６００〜１，０５０℃の温度で再度加熱処理することによりＮｂ_３ Ａｌ相を析出させる、いわゆる急熱急冷・変態法に特に適した方法である。ここで、再度の熱処理の温度は、安定化材層を構成する材料の融点を超えない範囲であれば、安定化材層の材料や熱処理時間に従い６００〜１，０５０℃の範囲内で適宜選択できる。例えば、銀（Ａｇ）よりなる安定化材層のときは、銀の融点（９６２℃）より僅かに低い温度、好ましくは９５０℃で熱処理を行えばよい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を引用しつつ、本発明のＮｂ_３ Ａｌ化合物系超電導線材の製造方法の実施の形態を説明する。なお、本発明はこれに限定されるものではない。
【００１８】
図１、図２は、本発明のＮｂ_３ Ａｌ化合物系超電導線材の製造方法を示す、工程説明図及び詳細フローチャートである。所定の厚さの純Ｎｂシート１、及び所定の厚さの純Ａｌシート２を重ね合わせ、純Ｎｂ棒３に隙間なく巻き付け、ジェリーロール積層複合体を作成する（ステップ１）。この複合体をＮｂ管４に挿入し、さらにＣｕ管５に挿入して単芯ビレットとなした後、減面加工（静水圧押出、ダイス伸線）により六角断面線材に加工後、複数本の６角断面線材を外皮のＣｕ層を除去してシングル線６を製作する（ステップ２）。このシングル線６を複数本別のＮｂ管７に組み込み、さらにＣｕ−Ｎｉ合金管８に挿入して多芯ビレット９とする（ステップ３）。次いで、この多芯ビレット９を減面加工（静水圧押出、ダイス伸線）により所定の線径に加工後、外皮のＣｕ−Ｎｉ合金層を除去し、所定の線径の断面円形Ｎｂ／Ａｌ複合マルチ線材１０を得る（ステップ４）。
【００１９】
以上の工程により製作したＮｂ／Ａｌ複合線材を、１，５００℃以上まで通電加熱した後直ちに冷却することでＮｂ−Ａｌ過飽和固溶体を生成させる（急熱急冷・変態化処理）。次いで、この過飽和固溶体線材表面に、物理蒸着法、好ましくはイオンプレーティング法により、所定の厚さの安定化材層（Ｃｕ層）１１を形成する。なお、この安定化材層を第１の安定化材層（すなわち下地層）とし、その上に第２の安定化材層（Ｃｕ層）を形成するようにしてもよいが、この第２の安定化材層は物理蒸着法以外の方法、例えば、電気めっきで行ってもよい。こうして得られた線材を、真空中で６００〜１，０５０℃の温度一定時間、再度加熱処理してＮｂ_３ Ａｌ相を析出させることにより、表面に安定化材層１１が付与されたＮｂ_３ Ａｌ化合物系超電導線材１２を得る（ステップ５）。
【００２０】
本発明で好適に使用されるイオンプレーティング法は、真空中でコーティングする物質を蒸発させ、プラズマ中を通すことで励起化、イオン化させた高エネルギー粒子を目的物（被コーティング物）に衝突させて膜を形成させる技術である。このイオンプレーティング法によれば、粒子の持っているエネルギーが非常に大きいため、目的物表面はスパッタクリーニングされると共に比較的高温になり、高エネルギーの析出粒子は、清浄かつ高温の目的物表面上で表面拡散易動度が大きく結晶成長が促進され、付着力の強い膜が形成される。従って、Ｎｂのように活性な金属で空気中や液体中では直ちに酸化膜を形成してしまう材料を目的物とする場合であっても、真空中での処理であるために目的物表面に酸化膜が生成されにくく、かつコーティング物質イオンの衝突によって酸化膜も破壊されるため、金属同士の接触を得やすく、同時に衝突による目的物表面へのアンカー効果も大きくなるために、コーティング層と目的物との密着が非常に強固になる特徴を有する。
【００２１】
Ｎｂ_３ Ａｌ化合物系超電導線材におけるマルチ線材Ｎｂ表面への安定化材層、例えば、銅（Ｃｕ）の付与にあたっては、Ｎｂ／Ｃｕという組み合わせにおいては、Ｃｕ層はほとんど固溶しないために、単純に表面にコーティングするような方法、例えば、電気メッキによっては、メッキ層と目的物との間の密着力が低く、安定化材としての効果も低い。また、僅かの曲げによってもメッキ層が割れたり剥離したりしてしまうため、安定化材層を形成後の機械加工に耐えられない。
【００２２】
これに対し、本発明のイオンプレーティング法を用いた方法によれば、目的物との間に強固な密着力を示す安定化材層が形成できるため、イオンプレーティング法で形成した層のみでも、または、イオンプレーティング法で形成した層を下地層として、その上に電気メッキなどによって第２の安定化材層をコーティングし、安定化材層全体を厚くしても、目的物との密着力を低下させることなく、良好な安定化材層を形成することができる。さらには、このような強固な密着力によって、安定化材層形成後のダイス伸線のような塑性加工にも耐えるような特徴を持つ。
【００２３】
なお、物理蒸着は、蒸着チャンバー内に目的物である線材全体を収容し行うか、線材の長手方向の一部を連続的に蒸着チャンバー内に通過させつつ行う等により実施できるものである。
【００２４】
【実施例】
本発明の製造方法が、Ｎｂ_３ Ａｌ化合物系超電導線材への安定化材付与に好適であることは、以下の実施例及び比較例の説明によってより明確に理解されよう。
【００２５】
〔実施例１〕
厚さ７５μｍの純Ｎｂシート及び厚さ２５μｍの純Ａｌシートを重ね合わせ、φ１．５ｍｍの純Ｎｂ棒に隙間なく巻き付け、Ｎｂ管に挿入し、さらにＣｕ管に挿入した後、減面加工により六角断面線材に加工後、外皮のＣｕを除去してシングル線を製作した。これを複数本Ｎｂ管に組み込み、さらにＣｕ合金管に挿入して減面加工により所定の線径に加工後、外皮のＣｕ合金を除去し、線径１．２５ｍｍのＮｂ／Ａｌ複合マルチ線材とした。
【００２６】
以上の工程により製作したＮｂ／Ａｌ複合線材に、通電し、２，０００℃まで急熱後直ちに２００℃まで冷却することでＮｂ／Ａｌ過飽和固溶体線材とした。次いで、この線材にイオンプレーティング処理を行い、表面に約１μｍ厚の下地Ｃｕ層（第１の安定化材層）を形成した。さらにこの上に電気メッキにより約４９μｍ厚のＣｕ層（第２の安定化材層）を形成した。
【００２７】
〔実施例２〕
実施例１におけるＮｂ／Ａｌ過飽和固溶体線材に、イオンプレーティング処理を行い、表面に約０．１μｍ厚の下地Ｃｕ層（第１の安定化材層）を形成した。さらにこの上に電気メッキにより約５０μｍ厚のＣｕ層（第２の安定化材層）を形成した。
【００２８】
〔実施例３〕
実施例１におけるＮｂ／Ａｌ過飽和固溶体線材に、スパッター法による蒸着を行い、表面に約１μｍ厚の下地Ｃｕ層（第１の安定化材層）を形成した。さらにこの上に電気メッキにより約４９μｍ厚のＣｕ層（第２の安定化材層）を形成した。
【００２９】
〔比較例１〕
実施例１におけるＮｂ／Ａｌ過飽和固溶体線材に、電気メッキを用いて表面に約５０μｍ厚のＣｕ層（安定化材層）を形成した。
【００３０】
〔比較例２〕
実施例１におけるＮｂ／Ａｌ過飽和固溶体線材に、イオンプレーティング処理を行い、表面に約０．０５μｍ厚の下地Ｃｕ層（第１の安定化材層）を形成した。さらにこの上に電気メッキにより約５０μｍ厚のＣｕ層（第２の安定化材層）を形成した。
【００３１】
実施例１，２，３及び比較例１，２の各線材を、真空中で８００℃Ｘ１０ｈｒの加熱処理を加えて最終的なＮｂ_３ Ａｌ化合物系超電導線材を得た。
【００３２】
実施例及び比較例の各方法で得られた線材を、２１〜１５Ｔまでの磁場中において臨界電流特性を評価した。表１には、本発明材及び比較材の線材仕様と、両線材の４．２Ｋにおける各磁場での臨界電流値を示す。なお、ここでは臨界電流値は１μＶ／ｃｍ基準で求めた結果である。比較例２の１８Ｔにおける測定結果では、最終的にクエンチを発生したものの、当初わずかながら電圧上昇が認められ、超電導状態から常電導状態に遷移する様子が観察された後、急激な電圧上昇、すなわち、クエンチに至った。
【００３３】
この結果からもわかるように、本発明の方法に従い、安定化材層の付与方法としてイオンプレーティング法またはスパッタ法による安定化材層付与線材（実施例１〜３）は、１７Ｔ以下においてもクエンチを発生することなく（すなわち、安定化されており）臨界電流値の測定が可能であるのに対し、単純な電気メッキによる安定化材層付与線材（比較例１）では、１８Ｔにおいてクエンチを発生してしまい（すなわち、不安定化しており）臨界電流値を測定することができなかった。また、実施例１〜３と比較例２との対比により明らかなように、イオンプレーティング法またはスパッター法による安定化材層の厚みも０．１μｍ以上であれば、クエンチ発生の磁場を低くできることも示している。すなわち、イオンプレーティング法またはスパッター法を使用した安定化材層の付与方法の方が線材の安定化方法として優れていることを示している。
【００３４】
【表１】

【００３５】
上記実施例において、イオンプレーティング法またはスパッター法により形成した安定化材層の厚みを０．１μｍ以上とした。これは、実施例に説明した特定構造の超電導線材を高磁界マグネット導体として使用するのであれば、１７Ｔ以上において安定化していれば十分と考えられるので、１７Ｔ以上の磁界中で安定性を維持できる厚さとして出願人が特定したものであって、本発明はこれに限定されるものではなく、超電導線材の様々な構造に応じて適宜決定し得るものである。もっとも、この層が薄すぎるときは、イオンプレーティング法またはスパッター法による酸化膜の破壊が十分行われず密着性の高い安定化材層が得られなくなる恐れがある。
【００３６】
なお、実施例では、イオンプレーティング法またはスパッター法により形成する安定化材層の材料にＣｕを用いたが、Ｃｕ合金であってもよい。また、Ｃｕ、Ｃｕ合金以外の材料、例えば、Ｎｉを用い、これを第１の安定化材層、すなわち、下地層とし、その上にＣｕからなる第２の安定化材層をコーティングした複合層としてもよい。例えば、Ｎｉ下地層とＣｕとの組み合わせによれば、ＮｂとＮｉ、及びＮｉとＣｕとの間で固溶体を形成し、密着が更に強固になると考えられる。
【００３７】
また、安定化材層の材料としては、電気伝導度、熱伝導度がＣｕと類似しているＡｇまたはＡｇ合金であってもよい。
【００３８】
マトリックス材としては、特に急熱急冷処理時の１５００℃以上の温度における十分な強度を有することとＮｂとの反応性が乏しく、加工性があれば使用可能であり、ＮｂとＮｂ合金の他、例えばＴａ、Ｔａ合金が有望である。
【００３９】
本発明の方法によって得られた超電導線材は、磁場中での高い臨界電流密度が要求されるような用途、例えば、高磁界ＮＭＲマグネット用導体としての応用に適している。
【００４０】
【発明の効果】
従来、いわゆる急熱急冷・変態法で得た超電導線材表面への安定化材層の複合化は、その特殊な製法による制約から困難であったが、本発明のＮｂ_３ Ａｌ化合物系超電導線材の製造方法は、これをはじめて可能にしたものであって、他の金属系超電導線材と比較すると高磁界において超電導特性、特に臨界電流密度に優れる、急熱急冷・変態法で得た超電導線材の実用化に、大きく道を開くものであって、その工業的意義は極めて大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るＮｂ_３ Ａｌ化合物系超電導線材の製造工程説明図である。
【図２】本発明に係るＮｂ_３ Ａｌ化合物系超電導線材の製造工程の詳細フローチャートである。
【符号の説明】
１ Ｎｂシート
２ Ａｌシート
３ Ｎｂ棒
４ Ｎｂ管
５ Ｃｕ管
６ 六角断面線材
７ Ｎｂ管
８ Ｃｕ合金管
９ 多芯ビレット
１０ マルチ線材
１１ 安定化材層

Claims (8)

1. ＮｂまたはＮｂ合金とＡｌまたはＡｌ合金からなる複合材を高融点金属またはその合金マトリックスで囲繞したシングル線材を複数本組み合わせ、それらの外周を高融点金属またはその合金からなるマトリックスで囲繞したマルチ線材を、所定温度以上に通電加熱後直ちに冷却してＮｂ−Ａｌ過飽和固溶体を生成させ、次いで再度熱処理することによりＮｂ_３ Ａｌ相を析出させる、Ｎｂ_３ Ａｌ化合物系超電導線材の製造方法において、前記マルチ線材の最外周に安定化材を複合化するに際し、前記通電加熱後直ちに冷却した後もしくは再度加熱処理後に、物理蒸着法により安定化材層を形成することを特徴とするＮｂ_３ Ａｌ化合物系超電導線材の製造方法。
2. 前記安定化材層が、銅、銅合金、銀または銀合金のいずれか１つからなり、前記物理蒸着法がイオンプレーティング法であることを特徴とする請求項１に記載のＮｂ_３ Ａｌ化合物系超電導線材の製造方法。
3. 前記物理蒸着法による第１の安定化材層を下地層として、さらにその外周に第２の安定化材層を形成することを特徴とする請求項１または２に記載のＮｂ_３ Ａｌ化合物系超電導線材の製造方法。
4. ＮｂまたはＮｂ合金とＡｌまたはＡｌ合金からなる複合材を高融点金属またはその合金マトリックスで囲繞したシングル線材を複数本組み合わせ、それらの外周を高融点金属またはその合金マトリックスで囲繞したマルチ構造の線材を、１，５００℃以上まで通電加熱した後直ちに冷却することで得られる線材を、さらに６００〜１，０５０℃の温度で加熱することによりＮｂ_３ Ａｌ化合物を生成する、Ｎｂ_３ Ａｌ化合物系超電導線材の製造方法において、前記マルチ線材の最外周に安定化材を複合化するに際し、前記通電加熱後直ちに冷却した後もしくは追加熱処理後に、物理蒸着法により安定化材層を形成することを特徴とするＮｂ_３ Ａｌ化合物系超電導線材の製造方法。
5. 前記安定化材層が、銅、銅合金、銀または銀合金のいずれか１つからなり、前記物理蒸着法がイオンプレーティング法であることを特徴とする請求項４に記載のＮｂ_３ Ａｌ化合物系超電導線材の製造方法。
6. 前記物理蒸着法による第１の安定化材層を下地層として、さらにその外周に第２の安定化材層を形成することを特徴とする請求項４または５に記載のＮｂ_３ Ａｌ化合物系超電導線材の製造方法。
7. 前記物理蒸着法による安定化材層の厚さが０．１μｍ以上である請求項５または６に記載のＮｂ_３ Ａｌ化合物系超電導線材の製造方法。
8. 請求項１ないし７のいずれかの製造方法により得られるＮｂ_３ Ａｌ化合物系超電導線材。

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