JP4794886B2 - 酸化物超電導用高強度多結晶金属基板とそれを用いた酸化物超電導線材 - Google Patents

Description

本発明は、酸化物超電導用金属基板（以下は金属基板と略称する），特に高い強度を有する２軸配向多結晶金属基板に関する。

酸化物超電導線材、特に、Y系酸化物超電導線材の製作においては、下記特許文献１と２に記載されたように、２軸配向した金属基板上に、ＣｅＯ_２や、ＹＳＺや，Ｙ_２Ｏ₃などの酸化物層を積層し、次いで酸化物層の上にＹＢＣＯ等の酸化物超電導体層を積層して形成し、更に酸化物超電導体層の上に銀層を形成する。
特表平１１−５０４６１２号公報 特開平１１−３６２０号公報

しかし、上記の金属基板を用いた超電導線材の製造において、優れた超電導特性を有すると共に、高い強度を有し、なおかつ、低コストで線材を得ることが難しい問題があった。
具体的に、Ｙ系などの酸化物超電導線で超電導特性の高い超電導線を製造するには、金属基板の強度が室温の０．２％耐力で５００ＭＰａ以上必要あって、かつ金属基板が２軸配向した金属多結晶であることが最も重要である。

ところが、従来の金属基板では０．２％耐力は５００ＭＰａ程度であって、金属表面での２軸配向が９０％程度と不十分であった。
このことは、リール・トゥ・リール方式で超電導線を製作するに当たって、金属基板を引っ張りながら６００℃程度の高温領域にさらされる環境での結晶成長工程を経るにつれて、金属基板の強度が焼鈍されて低下し、金属基板の引き取りでの歪みにより金属基板の配向度が低下して、この金属基板上への結晶成長時の酸化物層や超電導層の配向が劣化することの原因となった。

さらに、従来の金属基板では、強度と配向度をなるべく高くするために、ＰｄやＰｔなどの元素を混合させたり、Ｎｉ合金層を厚くするなどの方式が用いられてきたため、コストを下げることができなかった。

本発明は、
（１）合金層と、前記合金層の外層として設けられたＮｉ層とから構成される複合材料を圧延してテープ状に形成されたのち配向熱処理して形成された酸化物超電導用２軸配向多結晶金属基板であって、前記合金層がＮｉ、Ｃｏ、Ｃｕのいずれかに、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｒ、Ｖ、Ｍｎ、Ａｌのいずれか一つの元素、または複数の元素を濃度１〜１５ａｔ％の範囲で添加した合金で形成され、前記Ｎｉ層が厚さ１μｍ以上５０μｍ以下の純度が９９．９％超のＮｉから形成され、表面の｛１００｝面が圧延面に平行でかつ＜００１＞軸が圧延方向に平行となる２軸配向度を９０％以上有し、かつ５００ＭＰａ以上の０．２％耐力を有していることを特徴とする、酸化物超電導用２軸配向多結晶金属基板、
（２）前記Ｎｉ層を形成するＮｉの純度は９９．９５％以上であることを特徴とする酸化物超電導用２軸配向多結晶金属基板、
（３）（１）または（２）に記載の酸化物超電導用２軸配向多結晶金属基板上に、酸化物層を介して形成される酸化物超電導線材、
を提供する。

本発明に関わる金属基板は、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｕのいずれかの合金からなる合金層と、前記合金層の外層として設けられたＮｉ層とから構成するテープ状複合材料において、前記合金層表面結晶粒の｛１００｝面が前記テープ状複合材料の表面にほぼ平行しており、前記合金層表面結晶粒の＜００１＞軸が前記テープ状複合材料の圧延方向にほぼ平行であって、かつ、前記Ｎｉ層が純度９９．９％を超えたＮｉからなり、その厚さ１〜５０μｍであることを特徴とする金属基板を提供することにより、高い２軸配向性が得られると共に、Ｎｉ層と合金層との複合化によって金属基板の強度が著しく向上した。
特に、前記Ｎｉ層に純度９９．９５％以上のＮｉを用いることにより、金属基板に高い強度が得られ、外層であるＮｉ層の２軸配向度が確実に９０％以上となった。

更に、金属基板に高強度を得るための低コスト手段の一つとして、金属基板の内層に位置する合金層において、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、ＣｕのいずれかにＭｏ、Ｗ、Ｃｒ、Ｖ、Ｍｎ、Ａｌのいずれかを添加して合金層を形成し、かつ、その添加濃度を１〜１５at％とすることで、目的の基板強度をより一層安価に達成できた。

以下、本発明の最良な実施形態について図１を用いて説明する。
図１は、本発明の実施形態に関わる金属基板の断面図である。
図１に示す金属基板１は、合金層３と、当該合金層３の外側に設けられたＮｉ層２とから構成する複合材料である。
上記金属基板の内層である合金層３は、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｕのいずれかの合金からなるものである。合金層３を形成するこれらの金属元素に、好ましい添加元素としては、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｒ、Ｖ、Ｍｎ、Ａｌのいずれかであり、かつ、その添加濃度範囲は１〜15at％である。添加濃度が１at％以下になると得られた金属基板に強度が不足し、１５at％以上になると加工が難しくなる。
また、合金層３の厚さが特に限定するものではないが、０．１〜１００μmが一般的であり、好ましくは１〜５０μmである。

一方、Ｎｉ層２は純度が９９．９％を超えるＮｉを用いることにより、Ｎｉ層２の９０％以上の２軸配向度を得ることが可能となり、特に、好ましくは９９．９５％以上の高純度Ｎｉを用いると、Ｎｉ層２により確実に９０％以上の２軸配向度が得られる。このように、金属基板１の高い配向性によって、後ほど金属基板１の上に積層される酸化物超電導体が更に高い配向性を容易に得ることができ、優れた超電導特性を有すると共に、金属基板１に室温で０．２％耐力で５００ＭＰａ以上の高い強度が得られる。

また、Ｎｉ層２の厚さは、経済効果の理由でなるべく薄くすることが望ましい。本発明では、金属基板１において合金層３を形成するＮｉ以外の金属元素が外層のＮｉ層２表面への拡散を防止するため、Ｎｉ最外層２の厚さは１〜５０μm必要とする。１μm以下の場合には、圧延が不均一となって難しく、５０μm以上になると高強度化の効果と経済効果が共に損なわれる。これによって、金属基板１ の高い配向性が保たれながら、Ｎｉ最外層２の厚さを極力薄くすることが可能となる。

以下、実施例を用いて本発明を具体的に説明する。
９９．９５％の高純度ニッケル管で外径φ４０mm／内径φ２５mm長さ５０mmの市販品に、外径φ２４．８mm長さ４０mmのＮｉＭｏ合金（８ａｔ％Ｍｏ）丸棒を挿入して、管のふたとしてニッケル管両端に外径φ４０mmの高純度ニッケルの円盤を電子ビーム溶接してビレットを組み立てた。ここで、ＮｉＭｏ合金の丸棒は、このほかにもＮｉ−ＷやＮｉ−ＶやＮｉ−ＣｒやＣｕ−Ｎｉなどの合金でもよく、さらにＮｉ以外でもＦｅやＣｏの合金でもよい。このビレットを押し出し機で押し出してから、ロール圧延によって、厚さ１００μmで幅１０mmのテープに仕上げた。このとき表面のニッケル層の厚さは、約１０μmであった。

このテープ線に配向熱処理として、７００℃×２時間にてアルゴンガスと水素の混合ガス雰囲気で熱処理することで、ニッケル層を２軸配向させた。

ニッケル層の配向度を調べたところ、X線ディフラクションメーターで(１００)結晶軸の配向度９５％となり、X線極点図では配向度８°であった。また、引っ張り試験を室温で行ったところ、０．２％耐力は５２０ＭＰａであった。従って、高配向かつ高強度の金属基板を用意することができた。また、ニッケル層を１０μm厚さで、合金層も８０μmとすることにより、安価にすることができた。

この金属基材テープの長さ７０mmについて、その表面を電解研磨を施してから、エレクトロンビーム蒸着装置を用いて、５００℃に加熱した基板上にＣｅＯ_２酸化物層を約０．５μm厚さ，長さ５０mmに亘って形成した。このときのＣｅＯ_２のＸ線ディフラクションメーターで(１，０，０)結晶軸の配向度も９５％となり、Ｘ線極点図では配向度９°となった。

さらに、Ｙ系超電導体をパルスレーザデポジッション法によって、５００℃に加熱した上記ＣｅＯ_２積層基板上に約０．５μm積層した。そして、Y系超電導体の上面に銀を高周波スパッター装置を用いて蒸着して電極部を形成した。この超電導線の銀面に４端子法で臨界電流を測定するために、電流リード線と電圧リード線をハンダ接続した。液体窒素に浸漬した状態で、この超電導線に通電すると、臨界電流は１μＶ／ｃｍ定義で５０Aとなった。

金属基板の断面図

符号の説明

１ 金属基板
２ Ｎｉ層
３ 合金層

Claims (3)

1. 合金層と、前記合金層の外層として設けられたＮｉ層とから構成される複合材料を圧延してテープ状に形成されたのち配向熱処理して形成された酸化物超電導用２軸配向多結晶金属基板であって、
   前記合金層がＮｉ、Ｃｏ、Ｃｕのいずれかに、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｒ、Ｖ、Ｍｎ、Ａｌのいずれか一つの元素、または複数の元素を濃度１〜１５ａｔ％の範囲で添加した合金で形成され、
   前記Ｎｉ層が厚さ１μｍ以上５０μｍ以下の純度が９９．９％超のＮｉから形成され、表面の｛１００｝面が圧延面に平行でかつ＜００１＞軸が圧延方向に平行となる２軸配向度を９０％以上有し、かつ５００ＭＰａ以上の０．２％耐力を有している
   ことを特徴とする、酸化物超電導用２軸配向多結晶金属基板。
2. 前記Ｎｉ層を形成するＮｉの純度は９９．９５％以上である
   ことを特徴とする、請求項１に記載の酸化物超電導用２軸配向多結晶金属基板。
3. 請求項１または２に記載の酸化物超電導用２軸配向多結晶金属基板上に、酸化物層を介して形成される酸化物超電導線材。

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