JP4005713B2 - Ｎｂ３ Ａｌ化合物系超電導線およびその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｎｂ₃ Ａｌ系超電導線およびその製造方法に関し、特に、優れた臨界電流密度特性を有するＮｂ₃ Ａｌ系超電導線とこれを得るための製造方法とに関する。
【０００２】
【従来の技術】
Ｎｂ₃ Ａｌ系超電導線は、Ｎｂ₃ Ｓｎ、ＮｂＴｉのような一般的な超電導線と比べ、高磁界における臨界電流密度特性に優れていることから、たとえば、物性研究用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。
【０００３】
従来、Ｎｂ₃ Ａｌ系超電導線の製造方法として、たとえば、ＮｂとＡｌを所定の組成比率で複合し、相互の拡散距離を数十ｎｍ程度まで短くした状態で６００〜１０５０℃の温度に加熱し、これにより固相拡散を起こさせてＮｂ₃ Ａｌを生成させる拡散法と呼ばれる製造方法が知られている。
【０００４】
しかし、この製造方法によると、１５００℃以上の高温においてのみ安定するＮｂ₃ Ａｌ化合物にとっては、温度不足下での固相拡散となり、このため、化学量論組成からのずれが発生するようになることから、高い臨界電流密度を得ることが難しく、従って、たとえば、要求特性を２０Ｔ以上の高磁界で満たす必要があるＮＭＲマグネット等に対し、拡散法をもって対処することはほゞ不可能と云える。
【０００５】
Ｎｂ₃ Ａｌ系超電導線を得るための他の製造方法として、ＮｂとＡｌを所定の組成比率で複合し、これを１５００℃以上の温度に加熱して直ちに急冷し、これによりＮｂ‐Ａｌ過飽和固溶体を生成させ、その後、これを再加熱することにより、Ｎｂ₃ Ａｌ相を析出させる方法が知られている。
【０００６】
この製造方法は、加熱温度が高いために化学量論組成からのずれによる臨界電流密度の低下がなく、従って、ＮＭＲマグネット等への適用を考えた場合、現状においては唯一の製造方法と云える。
【０００７】
通常、この析出法による超電導線の製造は、以下の手順によって行われる。
たとえば、ジェリーロール法の場合であれば、まず、ＮｂとＡｌのシートを準備して積層巻きした後、これをＮｂパイプで被覆し、シングル線を作る。
【０００８】
次に、得られたシングル線の複数本を再度Ｎｂパイプで被覆し、これに伸線加工等を施すことによってＮｂとＡｌのマルチ複合線材とし、その後、これを１５００℃以上に加熱し、直ちに急冷する。
【０００９】
この加熱、急冷によりＮｂ、Ａｌ複合部にＮｂ‐Ａｌ過飽和固溶体を生成させた後、さらに、６００〜１０５０℃の温度で再度加熱し、これによりＮｂ₃ Ａｌを析出させ、超電導線とするもので、この方法は高い臨界電流密度を有する超電導線の製造が可能であることから、ＮＭＲマグネット等の要求に対処可能な製造方法として有望視されている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の析出法により製造されたＮｂ₃ Ａｌ系超電導線によると、Ｎｂ₃ Ａｌ超電導部に他の金属化合物を生成させてしまうことが多く、このため、高い臨界電流密度特性を確保することが難しかった。
【００１１】
従って、本発明の目的は、高臨界電流密度特性を安定的に備えたＮｂ₃ Ａｌ系超電導線とこれを製造するための製造方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の目的を達成するため、Ｎｂ₃ Ａｌ超電導部と、前記Ｎｂ₃ Ａｌ超電導部の周囲に形成された高融点金属から成る外周部マトリックスとより構成され、前記外周部マトリックスの断面積をＡ、超電導線の断面積をＢ、前記Ｎｂ₃ Ａｌ超電導部の断面積をＣとしたとき、Ａ／（Ｂ−Ａ）＝０．０１以上、および（Ｂ−Ｃ）／Ｃ＝１．３以下となるように構成し、前記外周部マトリックスを０．２ｍｍ以下の厚さに構成したことを特徴とするＮｂ₃ Ａｌ系超電導線を提供するものである。
【００１３】
また、本発明は、上記の目的を達成するため、ＮｂとＡｌの複合体の周囲に高融点金属の被覆を形成し、これに加熱と冷却とを順に施すことによって前記複合体に基づいたＮｂ‐Ａｌ過飽和固溶体を生成させた後、加熱処理することによって前記Ｎｂ‐Ａｌ過飽和固溶体に基づくＮｂ₃ Ａｌ相を析出させる超電導線の製造方法において、前記超電導線における外周部マトリックスの厚さを０．２ｍｍ以下となるように設定し、前記外周部マトリックスの断面積Ａと前記超電導線の断面積Ｂとの関係（以下、外周部マトリックス比という）をＡ／（Ｂ−Ａ）＝０．０１以上となるように設定し、前記複合体に相当する部分の断面積Ｃと前記断面積Ｂとの関係（以下、複合体マトリックス比という）を（Ｂ−Ｃ）／Ｃ＝１．３以下となるように設定することを特徴とするＮｂ₃ Ａｌ系超電導線の製造方法を提供するものである。
【００１４】
上記の複合体を構成するＮｂおよびＡｌには、純Ｎｂおよび純Ａｌだけでなく、これらの合金も含まれるが、Ｎｂ‐Ａｌ過飽和固溶体生成のための加熱時には、これらは、それぞれＮｂ系金属が固溶体となり、Ａｌ系金属が溶融体となる。
【００１５】
ＮｂとＡｌの複合体の周囲に形成される高融点金属の被覆は、複合体が以上のような状態を呈するなかで、強度メンバーとしての役割を果たすものであるが、高融点金属による外周部マトリックスの厚さを、特に、０．２ｍｍ以下に設定する理由は、これを超えると、加熱急冷時における冷却効果が不充分となり、Ｎｂ‐Ａｌ過飽和固溶体以外の他の金属化合物を生成させ、超電導線としての臨界電流密度特性を低下させるようになるからであり、この０．２ｍｍ以下の厚さ設定は重要な要素となる。
【００１６】
臨界電流密度としては、たとえば、２１Ｔ、４．２Ｋにおいて２００Ａ／ｍｍ² 以上を目標値として揚げることができる。
【００１７】
Ｎｂ‐Ａｌ過飽和固溶体以外の金属間化合物には、超電導線を脆化させる性質もあり、従って、これが生成するときには、たとえば、マグネット製作時のコイル巻作業時に断線が多発するようになる。外周部マトリックスの厚さを０．２ｍｍを超えて設定することは、このことからも避ける必要がある。
【００１８】
高融点金属の被覆には、加熱の間、ＮｂとＡｌを分離させずに一体に保持する役割もあり、このためには外周部マトリックス比を０．０１以上となるように設定する必要がある。０．０１未満に設定する場合には、製品を断線させることなく製造作業を遂行することが不可能となる。
【００１９】
本発明の製造方法においては、多くの場合、ＮｂとＡｌはシート状であり、従って、これらＮｂとＡｌのシートは互いに積層巻きされることによって複合体とされるが、ＮｂまたはＡｌの部材に線状のＡｌまたはＮｂを密巻きすることによって複合体を構成してもよい。
【００２０】
また、このＮｂ、Ａｌ複合体の周囲に高融点金属の被覆を形成するに当たっては、一旦、複合体上に高融点金属による個別の被覆を形成したシングル線材を製造し、このシングル線材の複数本を束ねた上に高融点金属の一括被覆を形成してもよく、あるいは、シングル線材を作らずに、Ｎｂ、Ａｌ複合体の複数本を束ねた上へ、直接、高融点金属による一括被覆を形成してもよい。
【００２１】
シート状のＮｂとＡｌを積層して巻く際、高融点金属の中心材を準備して、この上に巻き付けるようにすることは好ましい。
その場合、高融点金属の中心材により形成される中心部マトリックスとしては、その断面積Ｄと超電導線の断面積Ｂとの関係（以下、中心材マトリックス比という）をＤ／（Ｂ−Ｄ）＝０．５５以下となるように設定する必要がある。
マトリックス比が０．５５を超えると、Ｎｂ‐Ａｌ過飽和固溶体生成のための加熱の際に断線が生ずるようになる。
【００２２】
複合体マトリックス比を１．３以下に設定する理由は、臨界電流密度として前掲した２００Ａ／ｍｍ² 以上の特性を確保するためであり、これを１．３を超えて設定するときには、冷却時の冷却効果が悪くなって、２００Ａ／ｍｍ² 以上の電流密度の確保が困難となる。
【００２３】
前記した個別の被覆、一括被覆、あるいは中心材を構成する高融点金属としては、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｈｆ、Ｉｒ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ等が使用される。
【００２４】
【発明の実施の形態】
次に、本発明によるＮｂ₃ Ａｌ系超電導線およびその製造方法における実施の形態について説明する。
図１は、製造過程における製品の形状を示したものである。
【００２５】
図１（イ）において、１は、工業用純Ｎｂシート２と工業用純Ａｌシート３を積層し、これを工業用純Ｎｂ製の中心材４に隙間なく巻き付けることによって構成したジェリーロール形式の複合体を示す。
５は複合体１上に静水圧押出によりＮｂ管を被せることによって設けられた工業用純Ｎｂ製の被覆を示し、この被覆５の上にはＣｕ被覆６が同様にして形成され、これによって複合素線７とされる。
【００２６】
図１（ロ）は、複合素線７をダイス伸線により断面６角形に減面加工し、その後、Ｃｕ被覆６を除去することによって製造したシングル線材８の構造を示したもので、６角形による密接集合が可能な構造となっている。
【００２７】
図１（ハ）は、Ｎｂ製の一括被覆９とＣｕ‐Ｎｉ合金被覆１０とをシングル線材８の集合束の上に形成することによって得られた複合線材１１の構造を示す。この複合線材１１は、ダイス伸線により所定の寸法に減面加工された後、外周のＣｕ‐Ｎｉ合金被覆１０が除去され、これにより所定寸法のマルチ複合線材とされる。
【００２８】
図１（ニ）は、以上により得られたマルチ複合線材１６を加熱し、冷却し、さらに、再加熱することによって製造したＮｂ₃ Ａｌ系超電導線の断面構造を示したもので、最初の加熱とそれに続く冷却とは、以下に説明する装置を使用して行われた。 なお、図中、１２はＮｂ₃ Ａｌ超電導部、１３と１４は、いずれもＮｂから構成された中心材マトリックスと外周部マトリックスを示す。
【００２９】
図２は、加熱および冷却に使用された装置の概要を示したもので、１５はマルチ複合線材１６を送り出すための供給リール、１７、１８は電極ローラ、１９は内部に冷却剤としての液体Ｇａ２０を収容した冷却槽を示し、液体Ｇａ２０の中には電極ロール１８が浸漬させられている。２１は巻取リール、２２は電源、２３は抵抗Ｒの両端の電位差から電流を測定する電流値測定リード線２４と、電極ローラ１７、１８間の電圧を測定する電圧測定リード線２５とを備えた記録計、２６はガイドローラを示す。
【００３０】
供給リール１５から送り出されたマルチ複合線材１６は、電極ローラ１７と１８を通過する間に２０００℃で０．１秒間通電加熱され、その後、引き続き液体Ｇａ２０によって５０００Ｋ／秒の冷却速度で冷却された後、巻取リール２１に巻き取られる。
【００３１】
巻き取られたマルチ複合線材１６は、別工程において８００℃で１０時間再加熱され、これによりＮｂ₃ Ａｌを析出させられ、所定のＮｂ₃ Ａｌ系超電導線となる。
図３は、以上の超電導線製造プロセスをフローチャートにまとめたものである。
【００３２】
表１は、図１〜３に基づいて実施された実施例および比較例における超電導線製造のためのパラメータを示す。表２は、これによって得られた各超電導線のマトリックス構成と臨界電流密度特性を示す。個別の被覆５および一括被覆９を構成する高融点金属としては、Ｎｂを使用した。
【００３３】
【表１】

【００３４】
【表２】

【００３５】
表２によれば、本発明による実施例がいずれも２００Ａ／ｍｍ² 以上の臨界電流密度を示しているのに比べ、比較例の場合には１３６〜１７９Ａ／ｍｍ² と２００Ａ／ｍｍ² をクリアすることができず、両者間には明確な差が認められる。
【００３６】
比較例に共通する点は、複合体マトリックス比と外周部マトリックスの厚さをいずれも本発明の規定値を超えた値に設定している点にあり、本発明が特に前者を１．３以下、後者を０．２ｍｍ以下に設定する理由が、これら比較例の特性によって実証されている。
なお、比較例１は、中心材マトリックス比率を本発明の規定値を大幅に超えて設定した例であるが、マルチ複合線材の急熱急冷中に線材切れが頻発し、スムースな作業遂行が不可能であった。表２のマトリックスデータは僅かに得られたサンプルによるものであるが、臨界電流密度の測定は不可能であった。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、高融点金属により形成される外周部マトリックスを特定の厚さに設定するとともに、外周部マトリックスの断面積と超電導線の断面積とを特定の比率に設定し、さらに、ＮｂとＡｌの複合体に相当する部分（超電導部）の断面積と超電導線の断面積とを特定比率に設定することによって、高い臨界電流密度を備えたＮｂ₃ Ａｌ系超電導線を提供するものであり、従って、たとえば、物性研究用ＮＭＲマグネット等の超電導材としてＮｂ₃ Ａｌ系超電導線を応用する場合に、本発明は有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるＮｂ₃ Ａｌ系超電導線製造方法の実施の形態における製品の加工経緯説明図であり、Ａは部分拡大図を示す。
【図２】図１の実施形態において使用された加熱、冷却装置の説明図。
【図３】図１および図２の実施形態における製造プロセス図。
【符号の説明】
１ 複合体
２ Ｎｂシート
３ Ａｌシート
４ 中心材
５ 被覆
６ Ｃｕ被覆
７ 複合素線
８ シングル線材
９ 一括被覆
１０ Ｃｕ‐Ｎｉ合金被覆
１１ 複合線材
１２ Ｎｂ₃ Ａｌ超電導部
１３ 中心材マトリックス
１４ 外周部マトリックス
１５ 供給リール
１６ マルチ複合線材
１７、１８ 電極ローラ
１９ 冷却槽
２０ 液体Ｇａ
２１ 巻取リール
２２ 電源
２３ 記録計

Claims (6)

1. Ｎｂ₃ Ａｌ超電導部と、前記Ｎｂ₃ Ａｌ超電導部の周囲に形成された高融点金属から成る外周部マトリックスとより構成され、
   前記外周部マトリックスの断面積をＡ、超電導線の断面積をＢ、前記Ｎｂ₃ Ａｌ超電導部の断面積をＣとしたとき、
   Ａ／（Ｂ−Ａ）＝０．０１以上、および（Ｂ−Ｃ）／Ｃ＝１．３以下となるように構成し、
   前記外周部マトリックスを０．２ｍｍ以下の厚さに構成したことを特徴とするＮｂ₃ Ａｌ系超電導線。
2. 前記Ｎｂ₃ Ａｌ超電導部は、高融点金属から成る中心材マトリックスの周囲に形成され、前記中心材マトリックスの断面積をＤとしたとき、Ｄ／（Ｂ−Ｄ）＝０．５５以下となるように構成したことを特徴とする請求項第１項記載のＮｂ₃ Ａｌ系超電導線。
3. 前記高融点金属は、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｈｆ、Ｉｒ、Ｍｏ、ＴｉあるいはＶのいずれかにより構成したことを特徴とする請求項第１項あるいは第２項記載のＮｂ₃ Ａｌ系超電導線。
4. ＮｂとＡｌの複合体の周囲に高融点金属の被覆を形成し、これに加熱と冷却とを順に施すことによって前記複合体に基づいたＮｂ‐Ａｌ過飽和固溶体を生成させた後、加熱処理することによって前記Ｎｂ‐Ａｌ過飽和固溶体に基づくＮｂ₃ Ａｌ相を析出させる超電導線の製造方法において、
   前記超電導線における外周部マトリックスの厚さを０．２ｍｍ以下となるように設定し、
   前記外周部マトリックスの断面積Ａと前記超電導線の断面積Ｂとの関係をＡ／（Ｂ−Ａ）＝０．０１以上となるように設定し、
   前記複合体に相当する部分の断面積Ｃと前記断面積Ｂとの関係を（Ｂ−Ｃ）／Ｃ＝１．３以下となるように設定することを特徴とするＮｂ₃ Ａｌ系超電導線の製造方法。
5. 前記複合体は、高融点金属の中心材に巻き付けられ、前記中心材による中心材マトリックスの断面積Ｄと前記超電導線の断面積Ｂとの関係をＤ／（Ｂ−Ｄ）＝０．５５以下となるように設定することを特徴とする請求項第１項記載のＮｂ₃ Ａｌ系超電導線の製造方法。
6. 前記高融点金属は、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｈｆ、Ｉｒ、Ｍｏ、ＴｉあるいはＶのいずれかであることを特徴とする請求項第１項あるいは第２項記載のＮｂ₃ Ａｌ系超電導線の製造方法。

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