JP3851593B2

JP3851593B2 - Ｎｂ３Ｓｎ系超電導線材用ブロンズ材およびこれを用いた超電導線材用複合材、並びに超電導線材

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Publication number: JP3851593B2
Application number: JP2002193902A
Authority: JP
Inventors: 隆好宮崎; 隆司長谷; 征治林; 幸伸村上
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2002-07-02
Filing date: 2002-07-02
Publication date: 2006-11-29
Anticipated expiration: 2022-07-02
Also published as: JP2004035940A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、ブロンズ法によってＮｂ₃Ｓｎ系超電導線材を製造する際に、Ｎｂ線材と複合し伸線加工（断面減少加工）してから拡散熱処理することにより高性能のＮｂ₃Ｓｎ系超電導線材を与えるブロンズ材と、該ブロンズ材を用いたＮｂ₃Ｓｎ系超電導線材用の複合材、並びに、該複合材を用いたＮｂ₃Ｓｎ系超電導線材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
コイル状に巻回された超電導線材に大電流を流すことによって磁場を発生させる超電導マグネットは、例えば核磁気共鳴（ＮＭＲ）装置の如き各種物性測定機器の他、磁気浮上列車や核融合装置などへの応用が進められており、こうした用途に用いられる超電導マグネットの代表的な構成素材として、Ｎｂ₃Ｓｎ系超電導線材が知られている。
【０００３】
この様なＮｂ₃Ｓｎ系超電導線材の製法としては、内部拡散法、チューブ法、インサイチュー（ｉｎ−ｓｉｔｕ）法、粉末法、ブロンズ法などが知られており、中でも現在もっとも汎用されているのは、ブロンズ法と呼ばれる複合加工法である。
【０００４】
図１は、ブロンズ法によってＮｂ₃Ｓｎ系超電導線材を製造する際に、Ｎｂ₃Ｓｎ系超電導線材を生成させる拡散熱処理前の複合材の断面構造を模式的に示した説明図であり、図中１はＮｂ線、２はブロンズ材（Ｃｕ−Ｓｎ系マトリックス合金）、３は拡散バリア層、４は安定化銅を夫々示している。
【０００５】
そして、ブロンズ法によってＮｂ₃Ｓｎ系超電導線材を製造するに当たっては、ブロンズ材（Ｃｕ−Ｓｎ基マトリックス合金）２に、１本または複数本（図示例では１９本）のＮｂ線１を埋め込んでから断面減少加工を施し、それらを更に複数本束ねて線材群とする。そして該線材群を筒状の拡散バリア層３内へ挿入した後、更にその外側を安定化銅４で被包する。上記拡散バリア層３は、ブロンズ材（Ｃｕ−Ｓｎ基マトリックス合金）２に含まれるＳｎをＮｂ線１方向へ拡散移行させて反応せしめＮｂ₃Ｓｎを生成させるための拡散熱処理時に、Ｓｎが外方へ拡散してＣｕを汚染し抵抗率を増加させるのを抑える作用を発揮するもので、例えばＮｂやＴａ等が使用される。また安定化銅４は、Ｎｂ₃Ｓｎ系超電導線材全体を熱的、電磁気的に安定化させるためのもので、通常は無酸素銅が使用される。なお図示例では安定化銅４を外周部に配置した例を示したが、この他、中心部に配置したり分散して配置する例もある。
【０００６】
そして、図１に例示する様に組付けた素材（複合材）を所定サイズまで伸線加工（断面減少加工）してから拡散熱処理を行い、ブロンズ材（Ｃｕ−Ｓｎ基マトリックス合金）２内に含まれるＳｎをＮｂ線１方向へ拡散させてＮｂと反応させることにより、Ｎｂ線１の界面近傍（即ち、Ｃｕ−Ｓｎ基マトリックス合金２とＮｂ線１の境界部）から、更にはその内部にまでにＮｂ₃Ｓｎを生成させる。
【０００７】
なお図１の例では、複数本のＮｂ線１をＣｕ−Ｓｎ基マトリックス合金２に直接埋め込んで素材を作製し、これを更に複数本束ねて線材群とした後、全体を筒状の拡散バリア層３内に挿入した例を示したが、この他、例えばＣｕ−Ｓｎ基マトリックス合金よりなる管材内に１本のＮｂ線を埋め込み、これに断面減少加工を施して単芯線を得、この単芯線を複数本束ねて前記と同じブロンズ材２内へ挿入し、以下同様にして複合材とすることも可能である。
【０００８】
そして、この様にして製造した複合材に伸線加工を施して所定のサイズにまで減面加工してから拡散熱処理を施すと、前述した如くブロンズ材（Ｃｕ−Ｓｎ基マトリックス合金）中のＳｎがＮｂ線方向へ拡散移行して界面にＮｂ₃Ｓｎが生成し、これがＮｂ線の中心方向へ成長してＮｂ₃Ｓｎ層が形成され、これが超電導特性を示すことになる。
【０００９】
この様な方法でＮｂ₃Ｓｎ系超電導線材を製造する際に使用されるブロンズ材としては、通常は１０〜１５質量％程度のＳｎを含み、残部が実質的にＣｕからなる合金が使用される。そして、例えば特公昭６１−１７３２５号公報には、この様なＮｂ₃Ｓｎ系超電導線材製造用のブロンズ材として、ＣｕとＳｎに加えてＴｉ，Ｚｒ，Ｈｆの１種以上を少量含有させると、複合材（スタック材）を極細多芯線状に減面する際の加工性が向上し、且つ、Ｎｂ₃Ｓｎ系超電導線材の強磁界特性も一段と優れたものになることが報告されている。
【００１０】
また本発明者らも、かねてよりこの種のＮｂ₃Ｓｎ系超電導線材の製造技術について改良研究を進めており、その成果の一環として、先に特開２００１−３５７７３４号公報に開示の技術を提供している。この公開発明は、ブロンズ法によってＮｂ₃Ｓｎ系超電導線材を製造する際に、Ｎｂ₃ＳｎおよびＮｂの合計断面積に対するＣｕ−Ｓｎ基合金の断面積の比を１．８〜３．０にする他、Ｎｂ₃ＳｎとＮｂの合計断面積に対するＮｂの平均面積率を５〜２０％の範囲に設定することにより、安定して高い臨界電流密度とｎ値を得る点に特徴を有している。
【００１１】
上記ｎ値とは、下記式(1)中のｎの値を示しており、この値が高いものほど超電導特性に優れたものと判断できる。
【００１２】
Ｖ＝Ｖ₀（Ｉ／Ｉ_c）ⁿ……(1)
（式中、Ｖは発生電圧、Ｖ₀は定数、Ｉは通電電流、Ｉ_cは臨界電流を示す）
更にこの公開発明では、好ましい他の要件として、使用するブロンズ材（Ｃｕ-Ｓｎ合金）中にＴａ，Ｚｒ，Ｔｉ，Ｈｆよりなる群から選択される１種以上の金属を含有させると、強磁場中での臨界電流密度が更に高められることを明らかにしている。但し、上記選択元素の含有率が多過ぎると、非超電導性の金属間化合物が生成して超電導特性が損なわれる他、線材化のための加工性が低下することも確認されている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者らはその後も、ブロンズ法を利用したＮｂ₃Ｓｎ系超電導線材の製造技術について改良研究を進めている。そして今回は、特に、前掲の特開２００１−３５７７３４号で開示した「ブロンズ材中に、Ｔａ，Ｚｒ，Ｔｉ，Ｈｆよりなる群から選択される１種以上の金属を含有させると、強磁場中での臨界電流密度が更に高められる反面、上記選択元素の含有率が多過ぎると、非超電導性の金属間化合物が生成するばかりでなく、線材化のための加工性も低下する」という現象が生じる原因を究明し、その改善策を確立することによって超電導特性の一層の向上を図るべく、特に添加元素として最も汎用性の高いＴｉに絞って研究を進めてきた。
【００１４】
その結果、Ｃｕ−Ｓｎ合金中にＴｉを微量添加しただけでも、当該Ｃｕ-Ｓｎ合金内に粗大なＣｕ-Ｓｎ-Ｔｉ化合物が生成することを確認した。そしてこの化合物は、Ｎｂ線と複合した後にも残存し、伸線加工性（断面減少加工性）に悪影響を及ぼす恐れがある。しかもブロンズ材内に生成した粗大なＣｕ-Ｓｎ-Ｔｉ化合物は、後で詳述する如くＮｂ₃Ｓｎを生成させるための拡散熱処理工程でＮｂ₃Ｓｎの生成そのものに悪影響を及ぼし、超電導特性にも少なからぬ悪影響を及ぼす。
【００１５】
従って、Ｔｉ添加による前記公開発明に開示の利点を実用規模で有効に活かすには、ブロンズ材内にＴｉを配合したときに生じる上記粗大なＣｕ-Ｓｎ-Ｔｉ化合物の生成を可及的に抑え、伸線加工性や超電導特性への悪影響を阻止する技術を確立する必要がある。
【００１６】
本発明は上記の様な事情に着目してなされたものであって、その目的は、ブロンズ法を採用してＮｂ₃Ｓｎ系超電導線材を製造する際に、Ｃｕ-Ｓｎ基合金中に少量のＴｉを含有させたときに当該合金の断面に現れる粗大なＣｕ-Ｓｎ-Ｔｉ化合物の生成を防止し、伸線加工性や超電導特性に優れたＮｂ₃Ｓｎ系超電導線材を確実に製造し得るようなブロンズ材および複合材を提供し、更に、これらを用いた高性能のＮｂ₃Ｓｎ系超電導線材を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決することのできた本発明にかかるＮｂ₃Ｓｎ系超電導線材用のブロンズ材とは、Ｃｕ，Ｓｎ，ＴｉおよびＺｒを含み、倍率１００倍の光学顕微鏡で断面観察することにより観察される長径１μｍ以上のＣｕ−Ｓｎ−Ｔｉ化合物が、平均で１００個／ｍｍ²以下であるところに特徴を有している。
【００１８】
本発明にかかる上記ブロンズ材の好ましい組成は、Ｓｎ含量が１０〜２５質量％、Ｔｉ含量が０．０５〜５質量％、Ｚｒ含量が０．０５〜５質量％で、残部が実質的にＣｕからなるものである。本発明の上記ブロンズ材では、適量のＺｒを添加することの更なる効果としてＣｕ−Ｓｎ化合物の生成も抑えるので、結果的にＳｎの有効利用も増進できる。即ちブロンズ法を採用してＮｂ₃Ｓｎ系超電導線材を製造する際に用いるブロンズ材の一般的なＳｎ含量は１３〜１４質量％で、多いものでも１５質量％程度が限界とされているが、本発明によればＳｎ含量を１８質量％程度に高めた場合でもＣｕ−Ｓｎ化合物の析出が可及的に抑えられ、結果的にＳｎ含量を２２〜２５質量％程度にまで高めることが可能となる。その結果、臨界電流密度などの超電導特性を著しく高めることが可能となる。
【００１９】
そして、Ｚｒの添加によりＣｕ−Ｓｎ−Ｔｉ化合物やＣｕ-Ｓｎ化合物の析出量が抑えられた上記ブロンズ材やこれを用いた複合材から製造されるＮｂ₃Ｓｎ系超電導線材は、従来材に較べて一段と高レベルの臨界電流密度とｎ値を示す点で、従来材の品質を凌駕する新規なものであり、このＮｂ₃Ｓｎ系超電導線材も本発明の技術的範囲に包含される。
【００２０】
【発明の実施の形態】
上記の様に本発明にかかるＮｂ₃Ｓｎ系超電導線材用のブロンズ材は、ＣｕとＳｎを含む通常のＣｕ−Ｓｎ合金に少量のＴｉとＺｒを複合添加することによって、当該合金の断面を倍率１００倍の光学顕微鏡で断面観察することにより観察される長径１μｍ以上のＣｕ−Ｓｎ−Ｔｉ化合物が、平均で１００個／ｍｍ²以下であるところに特徴を有している。
【００２１】
即ち前掲の従来技術でも明らかにした通り、ＣｕとＳｎを含むＮｂ₃Ｓｎ系超電導線材製造用のブロンズ材に、Ｔｉ，Ｔａ，Ｚｒ，Ｈｆなどの元素を１種以上含有させることで、最終的に得られるＮｂ₃Ｓｎ系超電導線材の超電導特性が改善されることは公知となっている。
【００２２】
即ち前記特公昭６１−１７３２５号公報に記載された実施例によると、Ｃｕ-Ｓｎ合金中に少量のＴｉ，ＺｒまたはＨｆを単独添加し、或いはＴｉとＨｆを複合添加すると、最終的に得られるＮｂ₃Ｓｎ系超電導線材の臨界電流（Ｉｃ）が上昇すると共に、熱処理前後の引張強さも向上することが明らかにされている。
【００２３】
ところが、本発明者らが添加剤をＴｉに絞ってブロンズ材の改良研究を進めるうち、次の様なことが次第に明らかになってきた。
【００２４】
即ち、まずＣｕ−Ｓｎ合金に少量のＴｉを添加すると、前記公開公報の記載からも予測される通り、インゴットの断面にＣｕ−Ｓｎ−Ｔｉ化合物からなる粗大な析出物が表われる。そして、この様に粗大なＣｕ−Ｓｎ−Ｔｉ化合物が析出したブロンズ材を用いて前述した様な方法でＮｂ₃Ｓｎ系超電導線材を製造しようとすると、Ｎｂ線材と複合化した後の伸線加工性が悪くなる他、拡散熱処理後におけるＮｂ₃Ｓｎの生成状態にも顕著な悪影響を及ぼすことが明らかになってきた。
【００２５】
即ち、ブロンズ材の内部に埋め込まれたＮｂ線に近接した位置に粗大なＣｕ−Ｓｎ−Ｔｉ化合物が存在すると、加工時にＮｂの正常変形が阻害され、例えば図２（横断面拡大説明図）に示す如く、本来は断面が略円形に加工されるべきＮｂが歪（いびつ）で断面積の小さなものとなり、また図３（縦断面拡大説明図）に示す如く、本来は略同一幅の均一な縦断面形状に加工されるべきＮｂ線が局部的に変形した狭幅のものになることが確認された。当然ながらこの様な複合材料に拡散熱処理を施すと、生成されるＮｂ₃Ｓｎも非常に不均一なものとなる。なおこれらの図において、１はＮｂ線（熱処理後はＮｂ₃Ｓｎ線）、２はマトリックスとなるブロンズ材、５はＣｕ−Ｓｎ−Ｔｉ化合物を表わしている。
【００２６】
ちなみに図４，５は、後記実験例として示したＮｏ．２のブロンズ材（Ｓｎ：１４％、Ｔｉ：0.3％、Ｃｕ：残部）を使用し、これをＮｂ線材と複合してから伸線加工した拡散熱処理前の複合材の横断面拡大写真を示したもので、図２に示した様な現象が明確に表われている。
【００２７】
こうした現象が生じる理由は未だ明らかにされていないが、我々が予測するところでは、ブロンズ中に存在したＣｕ−Ｓｎ−Ｔｉ化合物が、減面加工によってもその硬さゆえに加工されずにほぼ初期の大きさのまま残り、Ｎｂ線がほぼ同等な大きさまで加工されると、この様に著しい変形を生じさせるためと思われる。
【００２８】
こうした局所的な変形が生じると、加工時に応力集中を引き起こし、最悪の場合は断線に至る懸念もある。又この様な複合材に拡散熱処理を施すと、単に断面形状の不均一なＮｂ₃Ｓｎが形成されるだけでなく、ＳｎリッチなＣｕ-Ｓｎ-Ｔｉ化合物が近接することで、生成するＮｂ₃Ｓｎ層内のＳｎ濃度が高くなり不均一になってしまう。
【００２９】
ところが、先に説明した如く前掲の従来技術では、Ｃｕ−Ｓｎ合金に対してＴｉと同じ添加効果を有する同効元素と考えられていたＺｒを、Ｔｉと共にＣｕ−Ｓｎ合金に適量含有させると、Ｔｉ単独添加で生成していた粗大なＣｕ−Ｓｎ−Ｔｉ化合物の析出が全く見られなくなる、という全く新たな事実が確認された。
【００３０】
また、Ｎｂ₃Ｓｎ系超電導線材製造用として一般的に用いられるＣｕ−Ｓｎ基合金の場合、該合金中へのＳｎの固溶限は均質加熱処理後の状態で１５．８質量％とされており、該固溶限を超えて過剰量のＳｎを含量させると、過剰分はＣｕ−Ｓｎ化合物として析出すると考えられている。ところが、Ｃｕ−Ｓｎ合金にＴｉと共に適量のＺｒを含有させると、上記固溶限を超えてＳｎを過剰量配合した場合でも、Ｃｕ−Ｓｎ化合物の析出が抑えられる、という付加的効果も得られることが確認された。
【００３１】
こうした特異な現象が生じる理由も未解明であるが、１つの理由として、ＺｒがＣｕマトリックス内におけるＴｉやＳｎの拡散や微分散を促進し、析出するＣｕ−Ｓｎ−Ｔｉ化合物やＣｕ−Ｓｎ化合物を微細化する作用を発揮するのではないかと考えている。
【００３２】
ちなみに、ＴｉやＺｒはＣｕ−Ｓｎ系のα相内に固溶し難く、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｔｉ化合物やＣｕ−Ｓｎ化合物の析出自体がＺｒ添加によって阻止されるとは考えられないからである。従って、Ｚｒ添加によってＣｕ−Ｓｎ−Ｔｉ化合物やＣｕ−Ｓｎ化合物が生成し難くなるのではなく、これらの化合物がＺｒ添加によって極微細な析出物としてα相内に微分散し、長径１μｍを超える粗大な析出物の量が減少するためと考えている。
【００３３】
尚、本発明においてＣｕ−Ｓｎ−Ｔｉ化合物からなる粗大な析出物のサイズを長径１μｍ超と定めたのは、長径が１μｍ以下の微細な析出物では、前述した様な伸線加工性やＮｂ₃Ｓｎフィラメントの局部的狭小化などに与える影響がそれほど顕著に表われないからである。
【００３４】
いずれにしても、Ｔｉと共にＺｒを少量含有させることで粗大なＣｕ−Ｓｎ−Ｔｉ化合物やＣｕ−Ｓｎ化合物が大幅に減少したＣｕ−Ｓｎ系合金をマトリックス合金として使用し、Ｎｂ線材と組合せてＮｂ₃Ｓｎ系超電導線材製造用の複合材を作製すると、断面内および線材長手方向で均一な加工が可能となる。その結果、同図で説明したようなＮｂ₃Ｓｎ線材の横断面や縦断面の狭小化が起らなくなり、安定して優れた超電導特性を有するＮｂ₃Ｓｎ系超電導線材を得ることが可能となる。
【００３５】
上記の様に本発明では、Ｓｎと共に少量のＴｉを配合したＣｕ−Ｓｎ系ブロンズ合金中に適量のＺｒを含有させることによって、粗大なＣｕ−Ｓｎ−Ｔｉ化合物が析出するのを阻止し、併せて、Ｃｕ−Ｓｎ化合物の析出も抑制したところに特徴を有するもので、ブロンズ材の組成そのものは特に制限されないが、Ｎｂ₃Ｓｎ系超電導線材製造用としての適性を考慮すると、Ｓｎ含量が１０質量％以上、２５質量％以下、Ｔｉ含量が０．０５質量％以上、５質量％以下、Ｚｒ含量が０．０５質量％以上、５質量％以下で、残部が実質的にＣｕからなるものである。Ｓｎのより好ましい含有量は１３質量％以上、更に好ましくは１４質量％以上で、２２質量％以下、Ｔｉのより好ましい含有量は０．１質量％以上、１質量％以下、更に好ましくは０．２質量％以上、０．５質量％以下、Ｚｒのより好ましい含有量は０．１質量％以上、１質量％以下、更に好ましくは０．２質量％以上、０．５質量％以下である。
【００３６】
Ｔｉ含量が０．０５質量％未満では、Ｔｉに期待される高磁場領域での臨界電流特性改善効果が不十分となり、逆に５質量％を超えて添加すると、Ｚｒ添加にも拘わらず粗大なＣｕ−Ｓｎ−Ｔｉ化合物の生成が避けられなくなる。また、上記Ｔｉ含量にもよるが、Ｚｒ含量が０．０５質量％未満では、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｔｉ化合物に対する微分散効果が不十分となるためか、特にＴｉ含量を多めにしたときに粗大なＣｕ−Ｓｎ−Ｔｉ化合物の生成を阻止し難くなる。逆にＺｒ含量が５質量％を超えると、母合金全体の加工性が劣化するといった問題を生じる原因になる恐れが出てくる。
【００３７】
なお本発明によれば、前述した如く固溶限を超えるＳｎを含むブロンズ材に適用した場合でも、α相以外への粗大なＣｕ−Ｓｎ化合物の析出が抑えられるので、ブロンズ材中のＳｎ含量を従来材よりも増量することができる。
【００３８】
即ちブロンズ法を採用してＮｂ₃Ｓｎ系超電導線材を製造する際に用いるブロンズ材の一般的なＳｎ含量は７〜１４質量％で、多いものでもＳｎの固溶限である１５．８質量％が限界と考えられているが、上記の様に本発明によれば、Ｓｎ含量を１６質量％以上、更に１８質量％程度以上にまで高めることが可能となる。従って、ブロンズ材としてのＳｎ含量を増大することでＮｂ₃Ｓｎ生成源としてのブロンズ材全体の使用量を相対的に少なく抑えることが可能となる。但しブロンズ材中のＳｎ含量を過度に多くすると、Ｃｕ−Ｓｎ化合物による加工性劣化の問題が生じてくるので、Ｓｎ量を増量するにしても、ブロンズ材中に占める比率で２５質量％以下、より好ましくは２２質量％程度以下に抑えるべきである。
【００３９】
そして、Ｚｒ添加により粗大なＣｕ−Ｓｎ−Ｔｉ化合物やＣｕ-Ｓｎ化合物の析出量が抑えられた上記ブロンズ材を用いて製造されるＮｂ₃Ｓｎ系超電導線材は、前述の如くブロンズ材中の粗大なＣｕ−Ｓｎ−Ｔｉ化合物やＣｕ−Ｓｎ化合物が著しく減少していることから、Ｎｂ₃Ｓｎ系超電導線材製造用の複合材として安定した断面減少加工性（伸線加工性）を有すると共に、超電導線材化のための拡散熱処理によって生成するＮｂ₃Ｓｎ線の横断面方向および縦断面方向の局部的な狭小化現象も防止され、安定して高レベルの超電導特性を示すＮｂ₃Ｓｎ系超電導線材を得ることが可能となる。
【００４０】
なお、本発明のブロンズ材を用いてＮｂ₃Ｓｎ系超電導線材を製造する方法自体には、格別特殊な条件が要求されるわけではなく、前掲の公開公報に開示されているような公知の方法を基本的にそのまま、もしくは必要により適当な変更を加えて実施すればよいが、標準的な条件や形状特性などを示すと下記の通りである。
【００４１】
即ち、ブロンズ母合金中にＮｂまたはＮｂ合金棒を挿入して押出しビレットを製造し、これを押出し・伸線加工によって例えば断面６角線材を製造する。この６角材を複数本スタックし、安定化銅やバリア材と複合して再び押出しビレットを作製し、これを更に押出し・伸線加工することにより、所望の線径の線材とする。こうした加工の途中で、ブロンズの加工硬化から回復させるため適宜の中間焼鈍熱処理を施すことが多い。この線材をマグネット等に巻回した後、最終の合金化熱処理を行うと、Ｎｂ₃Ｓｎ系超電導線材を得ることができる。
【００４２】
【実施例】
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、下記実施例はもとより本発明を限定する性質のものではなく、前・後記の趣旨に徴して適当に変更を加えて実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に含まれる。例えば、超電導線材としての断面形状は、前記図１に示した様な円形のものに限らず、正方形や矩形、５角以上の多角形などであってもよいことは勿論である。
【００４３】
実験例１
内径約７０ｍｍの黒鉛坩堝を使用し、誘導加熱法によって下記表１に示す成分組成のブロンズ材を溶製した。
【００４４】
【表１】

【００４５】
各溶製物を冷却凝固した後、得られたインゴットの上部から約１０ｍｍ×１０ｍｍ×１０ｍｍの試料を切り出し、研磨用樹脂に埋め込んで＃５００〜＃2000の耐水研磨紙を用いて研磨した後、粒径１μｍのダイアモンドペーストを用いてバフ研磨することにより表面を仕上げた。これら各試料の表面を光学顕微鏡により倍率１００倍でミクロ組織観察した。
【００４６】
その結果の一例を図６，７に示す。尚これらの写真は、１００倍の光学顕微鏡で撮影したもので、視野のスケールは０．９５ｍｍ×０．７５ｍｍである。図６は、上記表１に示した試料Ｎｏ．５，図７は試料Ｎｏ．８の断面写真であり、図６で小さく黒く点状に見えるのがＣｕ−Ｓｎ−Ｔｉ化合物である。これらの例からも明らかな様に、Ｚｒを添加していないＮｏ．５（図６）では、粗大なＣｕ−Ｓｎ−Ｔｉ化合物が多数観察されるのに対し、適量のＺｒを添加したＮｏ．８（図７）では、粗大なＣｕ−Ｓｎ−Ｔｉ化合物が殆ど認められない。
【００４７】
Ｚｒ未添加のもので析出したＣｕ−Ｓｎ−Ｔｉ化合物のＥＸＤによる成分分析結果を、比較のための母相であるα相の分析結果と共に図８，９に示す。これらの図からも明らかな様に、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｔｉ化合物相ではＳｎ−Ｔｉのピークが異常に高く、Ｓｎ−Ｔｉリッチの化合物相になっていることが分る。
【００４８】
この様な写真を各試料の断面から数箇所撮影し、夫々から長径１μｍ以上のＣｕ−Ｓｎ−Ｔｉ化合物の析出個数を調べたところ、図１０に示す結果が得られた。
【００４９】
図１０からも明らかな様に、適量のＺｒを添加した試料Ｎｏ．２，４，８，１０では、１μｍ以上の粗大なＣｕ−Ｓｎ−Ｔｉ析出物の個数が何れも平均で１００個／ｍｍ²以下であるのに対し、Ｚｒを添加していない他の例では全て１μｍ以上の粗大なＣｕ−Ｓｎ−Ｔｉ化合物の析出個数が１００個／ｍｍ²を大幅に超えている。
【００５０】
実験例２
上記実験例１で得た各インゴットに、６８０℃×１００時間＋６００℃×１００時間＋５８０℃×５０時間の均質化熱処理を加えたところ、Ｃｕ−Ｓｎ化合物層［図６，７において、黄色のマトリックス層（α層）中に薄い灰色状に表われている層］は明らかに減少したが、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｔｉ析出物は熱処理によっても減少することはなかった。
【００５１】
上記熱処理を施した各ブロンズ材中に直径１５ｍｍの孔を７個穿孔し、これに直径１５ｍｍのＮｂ棒を挿入して押出しビレットを作製した。このビレットを静水圧押出し処理した後、ダイス伸線により１辺が２ｍｍの６角材に仕上げた。この６角材６４９本とバリアのためのＮｂ材、および安定化のためのＣｕ被覆処理を施して再度押出しビレットを作製し、更に押出しおよびダイス伸線を行って直径１．０ｍｍまで伸線加工することにより、伸線加工性を調べた。尚、該伸線加工の途中で加工硬化を緩和するための軟化熱処理を適宜施した。
【００５２】
最終線径にまで伸線加工することができたものについては、前記と同様にして各伸線材の断面を光学顕微鏡観察（但し、倍率は１０００倍）し、埋め込まれたＮｂフィラメントの形状の変化状態を確認した。また、各伸線材に７００℃×９６時間の熱処理を施してＮｂ₃Ｓｎ超電導体を生成させた後、液体ヘリウム中、１７Ｔの磁場中で４端子法によって非銅部あたりの臨界電流密度とｎ値を評価した。結果を表２に示す。
【００５３】
【表２】

【００５４】
表２からも明らかな様に、Ｓｎを１６質量％、１８質量％および２２質量％含有させたブロンズ材の場合、Ｚｒ未添加では伸線加工の途中で断線を起こしているが、Ｚｒを添加したものでは断線が見られず伸線加工性が改善されていることを確認できる。こうした加工性改善効果を活かせば、超電導材以外にもリードフレームやばね材などへの用途展開が期待される。
【００５５】
またＳｎ添加量が多くなるにつれて臨界電流密度は増加するが、同じＳｎ含量のもので比較すると、Ｚｒを添加したものの方が若干高い臨界電流密度を示している。これは、粗大なＣｕ−Ｓｎ−Ｔｉ化合物の析出が抑制されてＮｂフィラメントの形状変化が起こり難くなり、フィラメント間での電流の分流が抑えられて、超電導電流がより有効に流れ易くなったためと思われる。こうした傾向は、フィラメント形状の均一性を示すパラメータでもあるｎ値にも反映されている。
【００５６】
ちなみに図４は、上記表２のＮｏ．９に示した伸線材の断面を示す電子顕微鏡写真（倍率：１０００倍）、図５はこれを更に１０，０００倍に拡大して示した電子顕微鏡写真であり、図中に白く島状に分散しているのはＮｂ₃Ｓｎフィラメント、地肌部分はブロンズ材、図中に矢印で示したのはＣｕ−Ｓｎ−Ｔｉ化合物である。この写真からも明らかな様に、Ｎｂ₃Ｓｎフィラメントに近接してＣｕ−Ｓｎ−Ｔｉ析出物が存在している部分では、当該Ｎｂ₃Ｓｎフィラメントの形状が明らかに変形しており、これが伸線性や超電導特性に悪影響を及ぼしているものと思われる。
【００５７】
【発明の効果】
本発明は以上の様に構成されており、Ｎｂ₃Ｓｎ系超電導線材を製造する際に用いるブロンズ材として、ＣｕとＳｎに加えてＴｉとＺｒを含有させることによって、該ブロンズ材中に生じる粗大なＣｕ−Ｓｎ−Ｔｉ化合物の析出を可及的に抑えることができ、それに伴って、特に粗大なＣｕ−Ｓｎ−Ｔｉ化合物の析出に由来して拡散熱処理後に生成するＮｂ₃Ｓｎフィラメントの横断面や縦断面の変形乃至狭小化を阻止することができ、優れた加工性の下で、卓越した超伝導特性を有するＮｂ₃Ｓｎ系超電導線材を提供し得ることになった。
【００５８】
しかも本発明によれば、粗大なＣｕ−Ｓｎ−Ｔｉ化合物のみならず、やや過剰量のＳｎを含むＣｕ−Ｓｎ基合金を使用した場合でも、Ｃｕ−Ｓｎ化合物の析出も可及的に抑えることができ、従来法に較べてブロンズ材中のＳｎ含量を増大することができるので、結果的にＮｂ₃Ｓｎ系超電導線材の臨界電流密度などの超電導特性も大幅に改善することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ブロンズ法によって製造されるＮｂ₃Ｓｎ系超電導線材の熱処理前の断面構造を模式的に示した説明図である。
【図２】断面内に粗大なＣｕ−Ｓｎ−Ｔｉ化合物が観察されるブロンズ材をＮｂ線と複合して得た複合材（スタック材）を使用した場合の、拡散熱処理後におけるＮｂ₃Ｓｎの生成状況を示す横断面説明図である。
【図３】断面内に粗大なＣｕ−Ｓｎ−Ｔｉ化合物が観察されるブロンズ材をＮｂ線と複合して得たスタック材を使用した場合の、拡散熱処理後におけるＮｂ₃Ｓｎの生成状況を示す縦断面説明図である。
【図４】上記図２に対応する実際のＮｂ₃Ｓｎ系超電導線材の横断面顕微鏡写真である。
【図５】上記図４を更に拡大した横断面顕微鏡写真である。
【図６】表１のＮｏ．５で得た複合材の断面ミクロ写真である。
【図７】表１のＮｏ．８で得た複合材の断面ミクロ写真である。
【図８】母相であるα相のＥＸＤ分析チャートである。
【図９】Ｃｕ−Ｓｎ−Ｔｉ化合物相のＥＸＤ分析チャートである。
【図１０】実験で得た各試料の断面に現れる粗大なＣｕ−Ｓｎ−Ｔｉ化合物の析出個数を対比して示すグラフである。
【符号の説明】
１Ｎｂ線
２Ｃｕ−Ｓｎ合金（ブロンズ材）
３拡散バリア層
４安定化銅
５Ｃｕ−Ｓｎ−Ｔｉ化合物

Claims

Ｎｂ₃Ｓｎ系超電導線材を製造する際に使用されるブロンズ材であって、
Ｓｎ：１０〜２５質量％、
Ｔｉ：０．０５〜５質量％、および
Ｚｒ：０．０５〜５質量％を含み、
残部がＣｕおよび不可避不純物であり、
倍率１００倍の光学顕微鏡で断面観察することにより観察される長径１μｍ以上のＣｕ−Ｓｎ−Ｔｉ化合物が、平均で１００個／ｍｍ²以下であることを特徴とするＮｂ₃Ｓｎ系超電導線材用ブロンズ材。
Ｓｎ含量が１６〜２２質量％である請求項１に記載のＮｂ₃Ｓｎ系超電導線材用ブロンズ材。
前記請求項１または２に記載のブロンズ材をマトリックスとし、その長手方向に多数のＮｂ線材が埋め込まれていることを特徴とするＮｂ₃Ｓｎ系超電導線材用複合材。
前記請求項３に記載の複合材を断面減少加工した後、拡散熱処理したものであることを特徴とするＮｂ₃Ｓｎ系超電導線材。