JP5632767B2 - Precursor for producing Nb3Sn superconducting wire and Nb3Sn superconducting wire - Google Patents

Precursor for producing Nb3Sn superconducting wire and Nb3Sn superconducting wire Download PDF

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Description

本発明は、Nb3Sn超電導線材をブロンズ法によって製造するための前駆体(超電導線材製造用前駆体)、およびこうした前駆体によって製造されるNb3Sn超電導線材に関するものであり、殊に前駆体における良好な加工性を確保すると共に、Nb3Sn超電導線材における優れた超電導特性を発揮できる技術に関するものである。 The present invention relates to a precursor for producing an Nb 3 Sn superconducting wire by a bronze method (a precursor for producing a superconducting wire), and an Nb 3 Sn superconducting wire produced by such a precursor, and in particular, a precursor. The Nb 3 Sn superconducting wire is capable of exhibiting excellent superconducting characteristics while ensuring good workability.

超電導線材を巻回したコイルに大電流を流して強磁場を発生させる超電導マグネットは、核磁気共鳴(NMR)分析装置や物性評価装置の他に、電力貯蔵や核融合炉等への応用を目指して、その開発が進められている。   A superconducting magnet that generates a strong magnetic field by flowing a large current through a coil wound with a superconducting wire is aimed at applications such as power storage and fusion reactors in addition to nuclear magnetic resonance (NMR) analyzers and physical property evaluation devices. The development is ongoing.

超電導マグネットに使用される金属系の超電導線材としては、Nb3Sn線材が実用化されており、このNb3Sn超電導線材の製造には主にブロンズ法が採用されている。このブロンズ法では、図1(Nb3Sn超電導線材製造用前駆体の模式図)に示すように、Cu−Sn基合金(ブロンズ)マトリックス1中に複数(図では7)のNb若しくはNb基合金(例えば、Nb−Ta合金)からなる芯材2を埋設して一次スタック材3が構成される。尚、この一次スタック材3は、図1に示すように断面形状が六角形になるようにされる。 As a metal-based superconducting wire used for the superconducting magnet, an Nb 3 Sn wire has been put into practical use, and the bronze method is mainly employed for manufacturing the Nb 3 Sn superconducting wire. In this bronze method, as shown in FIG. 1 (schematic diagram of a precursor for producing a Nb 3 Sn superconducting wire), a plurality (7 in the figure) of Nb or Nb base alloys in a Cu—Sn base alloy (bronze) matrix 1 is used. A primary stack material 3 is configured by embedding a core material 2 made of (for example, an Nb—Ta alloy). The primary stack material 3 has a hexagonal cross section as shown in FIG.

上記一次スタック材3を、伸線や押し出し等の減面加工することによって上記芯材2を細径化してフィラメント(以下、「Nb基フィラメント」と呼ぶことがある)とし、このNb基フィラメントとブロンズとからなる一次スタック材3を複数束ねて線材群となし、これを拡散障壁層4としてのNbシートやTaシートを巻いたパイプ形状のCu−Sn合金5内に挿入し、或いは一次スタック材3を複数束ねた線材群にNbシートやTaシートを直接巻き、その外周に安定化銅6を配置することによって二次多芯ビレット7を組み立てる。   The core material 2 is reduced in diameter by subjecting the primary stack material 3 to a surface reduction process such as wire drawing or extrusion to form a filament (hereinafter sometimes referred to as “Nb-based filament”). A plurality of primary stack materials 3 made of bronze are bundled to form a wire group, which is inserted into a pipe-shaped Cu-Sn alloy 5 wound with an Nb sheet or Ta sheet as a diffusion barrier layer 4, or a primary stack material A secondary multi-core billet 7 is assembled by directly winding an Nb sheet or a Ta sheet around a group of wires 3 in which 3 are bundled, and disposing a stabilizing copper 6 on the outer periphery thereof.

上記のような二次多芯ビレット7を静水圧押し出しし、続いて引き抜き加工等による減面加工を施し、図1の断面形状を維持したまま保持された前駆体や、断面矩形状の平角線材(図示せず)の前駆体に加工される。   The above-mentioned secondary multi-core billet 7 is hydrostatically extruded and subsequently subjected to surface reduction by drawing or the like, and a precursor that is maintained while maintaining the cross-sectional shape of FIG. Processed into a precursor (not shown).

上記のような前駆体(伸線加工後の線材)を650〜720℃付近の温度で80〜150時間程度の拡散熱処理(Nb3Sn生成熱処理)をすることにより、Nb基フィラメントとブロンズマトリックスの界面にNb3Sn化合物層を生成させてNb3Sn超電導線材とする。 By performing diffusion heat treatment (Nb 3 Sn generation heat treatment) for about 80 to 150 hours at a temperature of about 650 to 720 ° C. for the precursor (wire material after wire drawing) as described above, the Nb-based filament and the bronze matrix An Nb 3 Sn compound layer is formed at the interface to obtain an Nb 3 Sn superconducting wire.

上記のような前駆体においては、図1に示すように、Cu−Sn基合金(ブロンズ)マトリックス1中に複数のNb基フィラメントが配置された部分(以下、「超電導マトリックス部」と呼ぶことがある)と安定化銅6の間に拡散障壁層4を配置した構成とするのが一般的である(例えば、特許文献1)。この拡散障壁層4は、例えばNb層またはTa層、或いはNb層とTa層の2層からなり、拡散熱処理の際に超電導マトリックス部内のSnが外部に拡散してしまうことを防止し、安定化銅6へのSnの拡散を抑える作用を発揮するものである。   In the precursor as described above, as shown in FIG. 1, a portion in which a plurality of Nb-based filaments are arranged in a Cu—Sn-based alloy (bronze) matrix 1 (hereinafter referred to as “superconducting matrix portion”). In general, the diffusion barrier layer 4 is disposed between the stabilized copper 6 and the stabilized copper 6 (for example, Patent Document 1). This diffusion barrier layer 4 is composed of, for example, an Nb layer or a Ta layer, or two layers of an Nb layer and a Ta layer, and prevents the Sn in the superconducting matrix portion from diffusing to the outside during the diffusion heat treatment. The effect of suppressing the diffusion of Sn into the copper 6 is exhibited.

ところで、上記のようなNb3Sn超電導線材を用いた高磁界マグネットは蓄積エネルギーが大きく、励磁時にマグネットを構成する超電導線材に高い応力(電磁応力)が印加されることになる。こうしたことから、超電導線材自体にも高い応力に耐えられるだけの強度が要求される。特に、Nb3Sn超電導線材の臨界電流は、歪みに対して敏感であり、歪みが0.2%を超えると臨界電流が歪みと共に減少していくので、Nb3Sn超電導線材の高強度化が検討されており、これまでに様々な技術が提案されている。 By the way, the high magnetic field magnet using the Nb 3 Sn superconducting wire as described above has a large accumulated energy, and a high stress (electromagnetic stress) is applied to the superconducting wire constituting the magnet at the time of excitation. For this reason, the superconducting wire itself is required to have enough strength to withstand high stress. In particular, the critical current of the Nb 3 Sn superconducting wire is sensitive to strain, and when the strain exceeds 0.2%, the critical current decreases with strain. Therefore, the strength of the Nb 3 Sn superconducting wire is increased. Various technologies have been proposed so far.

こうした技術として、例えば特許文献2では、Nb,V,Zr,Hf等の合金元素を含むTa合金を補強部材として配置したNb3Sn超電導線材が提案されている。また、特許文献3には、Nb基合金、V基合金、Cu−Nb系合金、Cu−V系合金等の合金を、補強部材として用いたNb3Sn超電導線材が提案されている。 As such a technique, for example, Patent Document 2 proposes an Nb 3 Sn superconducting wire in which a Ta alloy containing an alloy element such as Nb, V, Zr, or Hf is disposed as a reinforcing member. Patent Document 3 proposes an Nb 3 Sn superconducting wire using an alloy such as an Nb-based alloy, a V-based alloy, a Cu—Nb alloy, or a Cu—V alloy as a reinforcing member.

特開昭51−61794号公報JP-A-51-61794 特開平9−82149号公報JP-A-9-82149 特開平10−255563号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-255563

これまでの技術では、補強部材として提案されている素材は、基本的に合金である。こうした補強部材では、合金ゆえに強度的に優れる反面、加工により導入される格子欠陥(転位)の移動が溶質元素により阻害されるので、純金属に比べて加工硬化が著しく進行することになる。   In the conventional technology, the material proposed as the reinforcing member is basically an alloy. Such a reinforcing member is excellent in strength because of the alloy, but on the other hand, since the movement of lattice defects (dislocations) introduced by processing is hindered by the solute element, the work hardening progresses remarkably as compared with pure metal.

また、上記のような構成の前駆体では、Cu−Sn基合金(ブロンズ)部の加工硬化が激しいので、加工工程の途中で複数回の焼鈍処理が施されるのが一般的である。この焼鈍は、通常500〜600℃程度で行なわれることになるが、この焼鈍によってCu−Sn基合金(ブロンズ)部は軟化できる。   Moreover, in the precursor of the above structure, since the work hardening of a Cu-Sn base alloy (bronze) part is intense, it is common to perform the annealing process several times in the middle of a manufacturing process. Although this annealing is usually performed at about 500 to 600 ° C., the Cu—Sn base alloy (bronze) portion can be softened by this annealing.

これに対し、これまで提案されている補強部材(合金)では、いずれも高融点金属であるので、これらの材料が焼鈍時に軟化する度合いは小さいものとなる。また、加工硬化が進行してしまった後(線材の細径まで加工した後)には、補強部材が起点となって、断線が却って生じやすい状況になる。こうした状況を回避するためには、補強部材を焼鈍することも考えられる。   On the other hand, since all of the reinforcing members (alloys) proposed so far are refractory metals, the degree of softening of these materials during annealing is small. In addition, after work hardening has progressed (after processing to the thin diameter of the wire), the reinforcing member becomes the starting point, and the breakage tends to occur. In order to avoid such a situation, it is conceivable to anneal the reinforcing member.

しかしながら、高融点金属を軟化させるためには、通常800℃以上の熱処理を行なわなければならず、その一方で、高温で熱処理した場合には、Nb基フィラメントとブロンズマトリックスの界面で、Nb3Sn超電導相の生成反応が進行してしまうことになる。Nb3Sn超電導相は塑性変形できないので、その後の加工工程で断線が生じることになる。即ち、断線を防止するために、補強部材の軟化を目的とした焼鈍を施すことは、却って断線を生じさせるという結果を招くことになる。 However, in order to soften the refractory metal, heat treatment at 800 ° C. or higher is usually performed. On the other hand, when heat treatment is performed at a high temperature, Nb 3 Sn is formed at the interface between the Nb-based filament and the bronze matrix. The production reaction of the superconducting phase will proceed. Since the Nb 3 Sn superconducting phase cannot be plastically deformed, disconnection occurs in the subsequent processing steps. That is, in order to prevent disconnection, annealing for the purpose of softening the reinforcing member leads to the result of disconnection.

こうしたことから、高温での焼鈍を施さずとも良好な加工性を確保できると共に、超電導線材における高い強度を確保することのできる前駆体の実現が望まれているのが実情である。また、超電導線材を製造する上で、高い臨界電流密度や交流損失の低減等の基本的な超電導特性を発揮できることも重要な要件である。   For these reasons, there is a demand for the realization of a precursor that can ensure good workability without annealing at high temperatures and can ensure high strength in the superconducting wire. In addition, when manufacturing superconducting wires, it is also an important requirement that basic superconducting characteristics such as high critical current density and reduction of AC loss can be exhibited.

本発明はこうした状況の下でなされたものであって、その目的は、良好な加工性を確保できると共に、Nb3Sn超電導線材の高強度および優れた超電導特性を発揮できるような前駆体(Nb3Sn超電導線材製造用前駆体)の構成、および上記のようなNb3Sn超電導線材を提供することにある。 The present invention has been made under such circumstances, and the object thereof is to provide a precursor (Nb 3 N) capable of ensuring good workability and exhibiting the high strength and excellent superconducting properties of the Nb 3 Sn superconducting wire. 3 Sn superconducting wire production precursor), and to provide the Nb 3 Sn superconducting wire as described above.

上記目的を達成することのできた本発明の超電導線材製造用前駆体とは、Nb3Sn超電導線材を製造する際に用いる超電導線材製造用前駆体であって、Cu−Sn基合金中に、複数本のNbまたはNb基合金からなるNb基フィラメントが配置された超電導マトリックス部と、その外周に拡散障壁層および安定化銅層を有する超電導線材製造用前駆体において、
前記超電導マトリックス部には、純Nbからなる補強部材が配置されると共に、当該補強部材の外周面にTa層が形成されたものであり、且つ補強部材の前駆体横断面に占める面積率が8〜30%である点に要旨を有するものである。
The precursor for producing a superconducting wire of the present invention capable of achieving the above object is a precursor for producing a superconducting wire used when producing a Nb 3 Sn superconducting wire, and a plurality of Cu-Sn based alloys In a superconducting matrix manufacturing precursor having a superconducting matrix portion in which Nb-based filaments made of Nb or Nb-based alloys are arranged, and a diffusion barrier layer and a stabilizing copper layer on the outer periphery thereof,
In the superconducting matrix portion, a reinforcing member made of pure Nb is arranged, a Ta layer is formed on the outer peripheral surface of the reinforcing member, and the area ratio of the reinforcing member in the precursor cross section is 8 It has a gist in that it is -30%.

こうした構成の前駆体においては、補強部材は超電導マトリックス部の横断面中央に配置されることが好ましい。   In the precursor having such a configuration, the reinforcing member is preferably disposed at the center of the cross section of the superconducting matrix portion.

前記拡散障壁層は、Nb層またはTa層、或はNb層とTa層の2層からなるもののいずれの構成も採用できるが、このうち少なくともTa層を含む層(Ta層、またはNb層とTa層の2層)であることが好ましい。   The diffusion barrier layer may employ any structure including an Nb layer, a Ta layer, or two layers of an Nb layer and a Ta layer. Of these, a layer containing at least a Ta layer (Ta layer, or Nb layer and Ta layer) 2 layers) is preferred.

上記のような超電導線材製造用前駆体に対して、700℃以下の温度でNbSn生成熱処理を施すことによってNbSn系超電導相を形成したものでは、希望する特性を発揮するNb3Sn超電導線材が得られる。 The Nb 3 Sn-based superconducting phase formed by subjecting the precursor for manufacturing a superconducting wire as described above to Nb 3 Sn generation heat treatment at a temperature of 700 ° C. or lower forms Nb 3 Sn exhibiting desired characteristics. A superconducting wire can be obtained.

本発明によれば、超電導マトリックス部に、純Nbからなる補強部材を配置すると共に、当該補強部材の外周面にTa層を形成し、且つ補強部材の前駆体横断面に占める面積率を規定したので、良好な加工性を確保できると共に、高強度を有し且つ優れた超電導特性を発揮できるNb3Sn超電導線材金を製造することができるような前駆体(Nb3Sn超電導線材製造用前駆体)が実現できた。 According to the present invention, the reinforcing member made of pure Nb is disposed in the superconducting matrix portion, the Ta layer is formed on the outer peripheral surface of the reinforcing member, and the area ratio of the reinforcing member in the precursor cross section is defined. Therefore, a precursor (Nb 3 Sn superconducting wire manufacturing precursor) capable of producing an Nb 3 Sn superconducting wire gold that can ensure good processability and has high strength and excellent superconducting properties. ) Was realized.

ブロンズ法に適用される超電導線材製造用前駆体の構成例を模式的に示した断面図である。It is sectional drawing which showed typically the example of a structure of the precursor for superconducting wire manufacturing applied to the bronze method. 本発明のNbSn超電導線材製造用前駆体の構成例を示す断面図である。A configuration example of a Nb 3 Sn superconducting wire precursor for manufacturing of the present invention is a cross-sectional view illustrating. 純Nb面積率が臨界電流密度および0.2%耐力に与える影響を示すグラフである。It is a graph which shows the influence which a pure Nb area ratio has on a critical current density and 0.2% yield strength.

本発明者らは、高温での焼鈍を施さずとも、良好な加工性を確保できると共に、超電導線材における高い強度を確保できる前駆体の実現を目指して様々な角度から検討した。その結果、図1に示した前駆体の構成において、前記超電導マトリックス部に、純Nbからなる補強部材を所定の割合で配置する構成を採用すれば、上記した基本的課題が解決できることが分かった。   The present inventors have studied from various angles with the aim of realizing a precursor capable of ensuring good workability and ensuring high strength in a superconducting wire without annealing at high temperature. As a result, in the configuration of the precursor shown in FIG. 1, it was found that the above-described basic problem can be solved by adopting a configuration in which reinforcing members made of pure Nb are arranged at a predetermined ratio in the superconducting matrix portion. .

しかしながら、前記超電導マトリックス部に、純Nbからなる棒状の補強部材を配置することについては、前記特許文献3にも示唆されており、こうした構成を採用しただけでは、超電導特性の点で別の問題が発生することになり、根本的な解決にはなり得ないことも判明した。   However, the arrangement of a rod-shaped reinforcing member made of pure Nb in the superconducting matrix portion is also suggested in the above-mentioned Patent Document 3, and it is another problem in terms of superconducting characteristics simply by adopting such a configuration. It became clear that this could not be a fundamental solution.

即ち、純Nbを補強部材として配置した場合に、この補強部材とブロンズが接触した状態で拡散熱処理を施すと、補強部材の外周面にもNb3Sn超電導相が生成することになり、マグネットとして使用する際に超電導特性として重要となる交流損失を増大させることになる。これは、純Nb周囲に生成したNb3Sn相の影響で「有効フィラメント径」が増大するためであると考えられる。この有効フィラメント径は、フィラメントが一体として振る舞うときの実効的な直径を意味し、磁気的安定性の指標となるものであり、この値が小さいほど超電導特性の安定性が高いと判断されるものである。また、後記(2)式に示すように、フィラメント径(上記「有効フィラメント径」に相当)は、交流損失に影響を及ぼす要因となるものであり、このフィラメント径が小さいほど、交流損失も小さくなる。 That is, when pure Nb is arranged as a reinforcing member, if a diffusion heat treatment is performed in a state where the reinforcing member and the bronze are in contact with each other, an Nb 3 Sn superconducting phase is also generated on the outer peripheral surface of the reinforcing member. When used, the AC loss, which is important as a superconducting characteristic, is increased. This is considered to be because the “effective filament diameter” increases due to the influence of the Nb 3 Sn phase generated around pure Nb. This effective filament diameter means the effective diameter when the filament behaves as a unit, and serves as an index of magnetic stability. The smaller this value, the higher the stability of the superconducting properties. It is. Further, as shown in the following formula (2), the filament diameter (corresponding to the “effective filament diameter”) is a factor affecting the AC loss. The smaller the filament diameter, the smaller the AC loss. Become.

本発明者らは、こうした問題を解決することについても検討した。その結果、純Nbからなる補強部材の外周面にTa層を形成すれば、上記のような問題も生じることのない(即ち、交流損失を低減した)超電導線材が実現できることを見出し、本発明を完成した。以下、本発明の前駆体の構成を説明する。   The present inventors have also studied to solve these problems. As a result, it has been found that if the Ta layer is formed on the outer peripheral surface of the reinforcing member made of pure Nb, a superconducting wire that does not cause the above-described problem (that is, reduced AC loss) can be realized. completed. Hereafter, the structure of the precursor of this invention is demonstrated.

図2は本発明の前駆体(Nb3Sn超電導線材製造用前駆体)の構成例を示す断面図であり、前駆体としての基本的な構成は前記図1に示したものと類似するが(共通部分には、同一の参照符号を付してある)、要するに、複数本のNbまたはNb基合金からなるNb基フィラメントが配置された超電導マトリックス部に(この図では、超電導マトリックス部の横断面中央)、純Nbからなる補強部材8(この図では、棒状)を配置すると共に、当該補強部材8の外周面にTa層9を形成した構成である。 FIG. 2 is a cross-sectional view showing a configuration example of the precursor of the present invention (precursor for producing a Nb 3 Sn superconducting wire), and the basic configuration as the precursor is similar to that shown in FIG. Common portions are given the same reference numerals). In short, in the superconducting matrix portion in which a plurality of Nb-based filaments made of Nb or Nb-based alloys are arranged (in this figure, a cross section of the superconducting matrix portion) Center), a reinforcing member 8 made of pure Nb (in this figure, a rod shape) is disposed, and a Ta layer 9 is formed on the outer peripheral surface of the reinforcing member 8.

純Nbからなる補強部材を配置する構成を採用することによって、前駆体における加工性を良好にできると共に、拡散熱処理の段階で、補強部材の外周面近傍にNb3Sn超電導相が形成されることをTa層9の存在によって阻止できる。その結果、上記した有効フィラメント径の増大を防止して、交流損失の低減が図れるものとなる。 By adopting a configuration in which a reinforcing member made of pure Nb is arranged, the workability of the precursor can be improved, and an Nb 3 Sn superconducting phase is formed in the vicinity of the outer peripheral surface of the reinforcing member at the stage of diffusion heat treatment. Can be prevented by the presence of the Ta layer 9. As a result, the increase in effective filament diameter described above can be prevented, and the AC loss can be reduced.

こうした作用を発揮するTa層の厚みについては、特に限定するものではなく、加工性を良好に維持するという観点からすれば(Ta合金に比べてTaは加工性が良好である)、できるだけ薄い方が好ましいが、伸線等の縮径加工後にNb3Sn超電導相形成阻止効果を発揮させる点をも考慮すれば、一次スタック材の段階で、0.1〜0.5mm程度であることが好ましい。また、補強部材の外周面にTa層を形成する方法は、シート状のTaを補強部材の外周面に巻き付ける方法が最も簡便である。 The thickness of the Ta layer that exerts such action is not particularly limited, and is as thin as possible from the viewpoint of maintaining good workability (Ta has better workability than Ta alloys). However, in consideration of the point that the Nb 3 Sn superconducting phase formation preventing effect is exhibited after the diameter reduction processing such as wire drawing, it is preferably about 0.1 to 0.5 mm at the stage of the primary stack material. . The simplest method for forming the Ta layer on the outer peripheral surface of the reinforcing member is to wrap the sheet-like Ta around the outer peripheral surface of the reinforcing member.

本発明の前駆体で用いる補強部材は、純Nbからなるものであるが、この純Nbは、微量(0.5%程度)の不純物を含んだものをも含むものである。比較的容易に入手できるという観点からすれば、工業用純Nb(例えば、ASTM B392のCommercial Grade Unalloyed Niobium)を用いることが好ましい。   The reinforcing member used in the precursor of the present invention is made of pure Nb, and this pure Nb includes a material containing a trace amount (about 0.5%) of impurities. From the viewpoint of being relatively easily available, it is preferable to use pure industrial Nb (for example, ASTM B392 Commercial Grade Unalloyed Niobium).

また、本発明の前駆体で用いるTa層についても、純Taからなるものを想定しているが、微量(0.5%程度)の不純物を含んだものを用いることができる。上記Nbと同様の観点からして、工業用純Ta(例えば、ASTM B708のElectoron−Beam Cast,Vacuum−Arc Cast Unalloyed Tantalum)を用いることが好ましい。   The Ta layer used in the precursor of the present invention is also assumed to be composed of pure Ta, but a layer containing a small amount (about 0.5%) of impurities can be used. From the same viewpoint as Nb, it is preferable to use industrial pure Ta (for example, ASTM B708 Electron-Beam Cast, Vacuum-Arc Cast Unalloyed Tantalum).

超電導線材に要求される機械的な強度は、超電導線材の使用状況にもよるが、通常のソレノイドコイルとしてNb3Sn超電導線材を使用する場合には、コイル全体が発生する強力な磁場により線材に電磁力が発生する。こうした電磁力下においても、超電導特性が劣化しないような強度に設定する必要がある。 The mechanical strength required for the superconducting wire depends on the usage of the superconducting wire, but when using an Nb 3 Sn superconducting wire as a normal solenoid coil, the wire is made of the strong magnetic field generated by the entire coil. Electromagnetic force is generated. It is necessary to set the strength so that the superconducting characteristics do not deteriorate even under such electromagnetic force.

ここで、あるコイル位置の磁束密度をB(T:テスラ)、電流密度をJ(A/m2)、コイル半径をR(m)としたときに、電磁力により発生する応力σは、夫々の積となり、σ=B・J・Rで表されることになる。即ち、応力σは、磁束密度B、電流密度Jが高く、コイル半径Rが大きい部位で最大となる。機械的特性が要求される線材は、超電導マグネットの内層側コイルで使用されることになるため(内層側の個々のコイルの方が外層側のコイルよりもコイル半径は小さいが磁束密度Bが大きい)、こうした用途に用いられる超電導線材では特に超電導特性と強度のバランスを図る必要がある。 Here, when the magnetic flux density at a certain coil position is B (T: Tesla), the current density is J (A / m 2 ), and the coil radius is R (m), the stress σ generated by the electromagnetic force is respectively Which is expressed by σ = B · J · R. That is, the stress σ is maximized at a portion where the magnetic flux density B and current density J are high and the coil radius R is large. Wires that require mechanical characteristics are used in the inner layer side coil of the superconducting magnet (the individual coil on the inner layer side has a smaller coil radius but a higher magnetic flux density B than the coil on the outer layer side) ) In particular, it is necessary to balance the superconducting characteristics and strength in the superconducting wire used for such applications.

上記のような構成(外周面にTa層を形成した純Nb)を採用した補強部材の配置量を増加させることは、Cu−SnとNb基フィラメントの接触領域の減少を招くことになるので、補強部材の過大な組み込みは、本来必要とされる超電導特性の低下を招くことになる。こうしたことから、補強部材の前駆体横断面に占める面積率で30%以下とする必要がある。但し、補強部材としての効果を発揮させるためには、上記面積率で8%以上とする必要がある(後記図3参照)。尚、上記面積率の好ましい下限は10%であり、好ましい上限は25%である。   Increasing the amount of the reinforcing member that employs the above-described configuration (pure Nb with a Ta layer formed on the outer peripheral surface) leads to a decrease in the contact area between the Cu-Sn and the Nb-based filament. Excessive incorporation of the reinforcing member leads to deterioration of superconducting characteristics which are originally required. For these reasons, the area ratio of the reinforcing member to the precursor cross section needs to be 30% or less. However, in order to exhibit the effect as a reinforcing member, the area ratio needs to be 8% or more (see FIG. 3 described later). In addition, the preferable minimum of the said area ratio is 10%, and a preferable upper limit is 25%.

尚、上記面積率は、複合部材(一次スタック材)に組み込んだ段階での面積率を想定したものであるが、伸線加工後(即ち、伸線加工後・熱処理前での面積率)とほぼ等しいものとなる。   In addition, although the said area ratio assumes the area ratio in the stage integrated in a composite member (primary stack material), after wire drawing processing (namely, after wire drawing processing and before heat treatment) and It will be almost equal.

本発明の前駆体は、ブロンズ法に適用されることを想定したものであって、Cu―Sn合金中に複数本のNb基フィラメントを配置した超電導マトリックス部を有するものであるが、上記Cu―Sn合金中のSn含有量は13〜16質量%程度であることが好ましい。こうした含有量とすることで、臨界電流密度Jcをできるだけ高めることができる。このSn含有量が、13質量%未満では、Sn濃度を高める効果が発揮されず、16質量%を超えると、Cu−Sn化合物が多量に析出して線材の均一加工が困難になる。   The precursor of the present invention is supposed to be applied to the bronze method, and has a superconducting matrix portion in which a plurality of Nb-based filaments are arranged in a Cu—Sn alloy. The Sn content in the Sn alloy is preferably about 13 to 16% by mass. By setting it as such content, critical current density Jc can be raised as much as possible. When the Sn content is less than 13% by mass, the effect of increasing the Sn concentration is not exhibited. When the Sn content exceeds 16% by mass, a large amount of Cu—Sn compound is precipitated, and uniform processing of the wire becomes difficult.

また上記Nb基フィラメントや拡散障壁層に用いることのあるNb基合金としては、Ta,Hf,Zr,Ti等の添加元素を4質量%程度まで含有させたものを使用することができる。   As the Nb-based alloy that may be used for the Nb-based filament and the diffusion barrier layer, an alloy containing an additive element such as Ta, Hf, Zr, Ti or the like up to about 4% by mass can be used.

また、前記拡散障壁層は、Nb層またはTa層、或はNb層とTa層の2層からなるもののいずれの構成も採用できるが、このうち少なくともTa層を含む層(Ta層、またはNb層とTa層の2層)であることが好ましい。こうした構成を採用することによって、拡散熱処理の段階で、拡散障壁層の近傍にNb3Sn超電導相が形成されることを阻止でき、交流損失の更なる低減(有効フィラメント径の増大の防止)が図れるものとなる。 In addition, the diffusion barrier layer may employ any structure of an Nb layer, a Ta layer, or two layers of an Nb layer and a Ta layer, and of these, a layer containing at least a Ta layer (Ta layer or Nb layer) And two layers of Ta layer). By adopting such a configuration, it is possible to prevent the Nb 3 Sn superconducting phase from being formed in the vicinity of the diffusion barrier layer at the stage of the diffusion heat treatment, and to further reduce the AC loss (preventing increase of the effective filament diameter). It becomes something that can be planned.

上記のような前駆体を構成し、これに対して伸線加工を行い、その後拡散熱処理を施して超電導相を形成することによって、良好な特性を発揮する超電導線材を得ることができる。TaのようにNbよりも高融点の材料を補強部材として用いる場合には、700℃を超える温度で拡散熱処理を施しても、十分な補強効果が発揮されるが、純Nbを補強部材として用いる場合には、700℃を超える温度で拡散熱処理を行なうとNbの軟化が進んでしまい、希望する補強効果を得ることができなくなる懸念がある。こうしたことから、拡散熱処理する際の温度は700℃以下に設定することが好ましい。また、拡散熱処理時間は100〜200時間程度が適当である。   A superconducting wire exhibiting good characteristics can be obtained by constituting the precursor as described above, performing a wire drawing process on the precursor, and then performing a diffusion heat treatment to form a superconducting phase. When a material having a melting point higher than Nb, such as Ta, is used as the reinforcing member, a sufficient reinforcing effect is exhibited even if diffusion heat treatment is performed at a temperature exceeding 700 ° C., but pure Nb is used as the reinforcing member. In some cases, if diffusion heat treatment is performed at a temperature exceeding 700 ° C., the softening of Nb proceeds and there is a concern that a desired reinforcing effect cannot be obtained. For these reasons, it is preferable to set the temperature during the diffusion heat treatment to 700 ° C. or lower. The diffusion heat treatment time is suitably about 100 to 200 hours.

以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。   EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. However, the present invention is not limited by the following examples, but may be appropriately modified within a range that can meet the purpose described above and below. Of course, it is possible to implement them, and they are all included in the technical scope of the present invention.

[実施例1]
直径:60mmのCu−15%Sn合金の中心とその周囲に、直径:12mmの穴を7箇所形成し、その穴に直径:11.8mmのNb棒を挿入し、溶接によって両端を真空封止し、一次多芯線用の押出しビレットを作製した。この押出しビレットを、静水圧押出し法により直径:20mmに押出し、これを引抜き加工により伸線した。その後、六角ダイスにより、対辺長:1.5mmの六角断面形状に仕上げ、六角断面を持つ一次多芯線(一次スタック材)を作製した。
[Example 1]
Seven holes with a diameter of 12 mm are formed in the center of the Cu-15% Sn alloy with a diameter of 60 mm and the periphery thereof, Nb bars with a diameter of 11.8 mm are inserted into the holes, and both ends are vacuum sealed by welding. And the extrusion billet for primary multifilamentary wires was produced. This extruded billet was extruded to a diameter of 20 mm by the hydrostatic extrusion method, and this was drawn by drawing. Then, the hexagonal die was used to finish a hexagonal cross-sectional shape with an opposite side length of 1.5 mm to produce a primary multi-core wire (primary stack material) having a hexagonal cross section.

外径:Xmmの工業用純Nbの周囲に厚さ:0.2mmのTa製シートを巻付け、その外周に上記一次多芯線Y本を束ねて、更にその外周に厚さ:0.2mmのNbシートを2回巻き(拡散障壁層)、これらを一体化して、外径:60mm、内径:54mmのCu製パイプ(安定化銅層)に挿入して、溶接によって端部を封止し、二次多芯ビレットとした(前記図2参照)。   A Ta sheet having a thickness of 0.2 mm is wound around an industrial pure Nb having an outer diameter of X mm, the Y primary multi-core wires are bundled around the outer periphery, and a thickness of 0.2 mm is further formed around the outer periphery. Nb sheet is wound twice (diffusion barrier layer), these are integrated, inserted into a Cu pipe (stabilized copper layer) having an outer diameter of 60 mm and an inner diameter of 54 mm, and the end is sealed by welding, A secondary multi-core billet was used (see FIG. 2).

得られたビレット(二次多芯ビレット)を、静水圧押出し法により、直径:20mmに押出し、これを引抜き加工により伸線して、直径:0.8mmのブロンズ法Nb3Sn超電導線材製造用前駆体を作製した。 The obtained billet (secondary multi-core billet) was extruded to a diameter of 20 mm by the hydrostatic extrusion method, and this was drawn by drawing to produce a bronze method Nb 3 Sn superconducting wire having a diameter of 0.8 mm. A precursor was prepared.

尚、Cu−Sn合金を含む一次多芯線および二次多芯線の伸線加工に際しては、Cu−Sn合金の加工硬化を原因とした断線がおこらない様に、加工途中に複数回の焼鈍を実施した。焼鈍条件は500℃、5時間である。   When drawing primary and secondary multi-core wires containing Cu-Sn alloy, annealing is performed multiple times during the processing so that disconnection due to work hardening of Cu-Sn alloy does not occur. did. The annealing conditions are 500 ° C. and 5 hours.

得られた前駆体を、真空中において650℃で100時間の熱処理(拡散熱処理)を施して、Nb3Sn超電導線材とした。こうして得られたNb3Sn超電導線材において、0.2%耐力、交流損失Phおよび臨界電流密度Jcについて、下記の条件で測定した。また、熱処理前の段階(減面加工後の最終形状)での補強部材の面積率(純Nb面積率)を下記(1)式に基づいて求めた。
純Nb面積率=(補強部材の面積/線材全断面積)×100(%)…(1)
The obtained precursor was subjected to a heat treatment (diffusion heat treatment) at 650 ° C. for 100 hours in a vacuum to obtain a Nb 3 Sn superconducting wire. In the Nb 3 Sn superconducting wire thus obtained, 0.2% yield strength, AC loss Ph and critical current density Jc were measured under the following conditions. Further, the area ratio (pure Nb area ratio) of the reinforcing member in the stage before the heat treatment (final shape after the surface reduction processing) was obtained based on the following formula (1).
Pure Nb area ratio = (area of reinforcing member / total cross-sectional area of wire) × 100 (%) (1)

[0.2%耐力の測定]
熱処理後の線材を、液体ヘリウム中(温度4.2K)に浸漬した状態で引張試験を行い、0.2%耐力を測定した。0.2%耐力の合格基準は、220MPa以上である。
[Measurement of 0.2% yield strength]
A tensile test was performed in a state where the heat treated wire was immersed in liquid helium (temperature 4.2 K), and 0.2% yield strength was measured. The acceptance criterion for 0.2% proof stress is 220 MPa or more.

[交流損失Phの測定]
交流損失Ph(超電導部の体積当りの損失)は、液体ヘリウム中(温度4.2K)で±3T(テスラ)の変動磁界中で測定した。このときの交流損失Phは、下記(2)式によって求められる。交流損失の合格基準は、750mJ/cm3以下である。
Ph=(8/3π)×f×λ×Jc×df×Bm …(2)
[Measurement of AC loss Ph]
The AC loss Ph (loss per volume of the superconducting part) was measured in a variable magnetic field of ± 3 T (Tesla) in liquid helium (temperature 4.2 K). The AC loss Ph at this time is obtained by the following equation (2). The acceptance criterion for AC loss is 750 mJ / cm 3 or less.
Ph = (8 / 3π) × f × λ × Jc × d f × B m (2)

f:外部変動磁界の周波数(Hz)
λ:超電導線材中の超電導部分の占面率
Jc:臨界電流密度(A/m2
f:フィラメント径(m)
m:外部変動磁界の振幅(T:テスラ)
f: Frequency of externally varying magnetic field (Hz)
λ: occupied area ratio of superconducting portion in superconducting wire Jc: critical current density (A / m 2 )
d f : Filament diameter (m)
B m : Amplitude of externally varying magnetic field (T: Tesla)

[臨界電流密度Jcの測定]
液体ヘリウム中(温度4.2K)で、15T(テスラ)の外部磁場の下、四端子法にて臨界電流を測定し、この電流値を、線材断面中の非Cu部当りの断面積で除して臨界電流密度Jcを求めた。臨界電流密度の合格基準は、220A/mm2以上である。
[Measurement of critical current density Jc]
In liquid helium (temperature 4.2K), the critical current is measured by the four probe method under an external magnetic field of 15T (Tesla), and this current value is divided by the cross-sectional area per non-Cu part in the wire cross section. The critical current density Jc was determined. The acceptance criteria for the critical current density is 220 A / mm 2 or more.

これらの結果(試験No.1〜10)を一括して、下記表1に示す。   These results (Test Nos. 1 to 10) are collectively shown in Table 1 below.

Figure 0005632767
Figure 0005632767

これらの結果から、次のように考察できる。試験No.1〜6のものは、本発明で規定する要件を満足するものであり、有効フィラメント径を小さくすることによって、交流損失を抑えることができると共に、臨界電流密度Jcおよび強度(0.2%耐力)も高いものとなっている。これに対して、試験No.7〜10では、本発明で規定するいずれかの要件を欠くものであり(比較例)、いずれかの特性が劣化している。   From these results, it can be considered as follows. Test No. 1 to 6 satisfy the requirements specified in the present invention, and by reducing the effective filament diameter, AC loss can be suppressed, and the critical current density Jc and strength (0.2% proof stress). ) Is also expensive. In contrast, test no. 7 to 10 lack any of the requirements defined in the present invention (comparative example), and any of the characteristics is deteriorated.

比較例のうち、試験No.7,8のものは、補強部材としての純Nbを含まないもの、或は純Nb面積率が不足するものであり、いずれも強度(0.2%耐力)が不足している。試験No.9のものでは、純Nb面積率が過剰になっており、臨界電流密度Jcが低下している。試験No.10のものは、Ta層を形成していないものであり、有効フィラメント径が大きくなって、交流損失が大きくなっている。   Among the comparative examples, Test No. Nos. 7 and 8 do not contain pure Nb as a reinforcing member, or the pure Nb area ratio is insufficient, and the strength (0.2% proof stress) is insufficient. Test No. In No. 9, the pure Nb area ratio is excessive, and the critical current density Jc is lowered. Test No. No. 10 does not form a Ta layer, and the effective filament diameter increases and the AC loss increases.

これらの結果に基づき、純Nb面積率が臨界電流密度Jcや0.2%耐力に与える影響を図3に示す(図中、◆は臨界電流密度、□は0.2%耐力を夫々示す)。純Nb面積率を適切な範囲に調整することによって、臨界電流密度Jcと0.2%耐力を適切な範囲に制御できることが分かる。   Based on these results, the influence of the pure Nb area ratio on the critical current density Jc and 0.2% yield strength is shown in FIG. 3 (in the figure, ◆ indicates the critical current density, and □ indicates the 0.2% yield strength). . It can be seen that the critical current density Jc and the 0.2% proof stress can be controlled in appropriate ranges by adjusting the pure Nb area ratio in appropriate ranges.

[実施例2]
直径:60mmのCu−15%Sn合金の中心とその周囲に、直径:12mmの穴を7箇所形成し、その穴に直径:11.8mmのNb棒を挿入し、溶接によって両端を真空封止し、一次多芯線用の押出しビレットを作製した。この押出しビレットを、静水圧押出し法により直径:20mmに押出し、これを引抜き加工により伸線した。その後、六角ダイスにより、対辺長:1.5mmの六角断面形状に仕上げ、六角断面を持つ一次多芯線(一次スタック材)を作製した。
[Example 2]
Seven holes with a diameter of 12 mm are formed in the center of the Cu-15% Sn alloy with a diameter of 60 mm and the periphery thereof, Nb bars with a diameter of 11.8 mm are inserted into the holes, and both ends are vacuum sealed by welding. And the extrusion billet for primary multifilamentary wires was produced. This extruded billet was extruded to a diameter of 20 mm by the hydrostatic extrusion method, and this was drawn by drawing. Then, the hexagonal die was used to finish a hexagonal cross-sectional shape with an opposite side length of 1.5 mm to produce a primary multi-core wire (primary stack material) having a hexagonal cross section.

外径:Xmmの工業用純Nbの周囲に厚さ:0.2mmのTa製シートを巻付け、その外周に上記一次多芯線Y本を束ねて、その外周に厚さ:0.2mmのTa製シートを巻付け、更にその外周に厚さ:0.2mmのNb製シートを巻付け(Ta層とNb層の2層からなる拡散障壁層)、これらを一体化して、外径:60mm、内径:54mmのCu製パイプ(安定化銅層)に挿入して、溶接によって端部を封止し、二次多芯ビレットとした(前記図2参照)。   A Ta sheet having a thickness of 0.2 mm is wound around an industrial pure Nb having an outer diameter of X mm, the Y primary multi-core wires are bundled around the outer periphery, and a thickness of 0.2 mm is formed around the outer periphery. A sheet made of Nb is wound, and a sheet made of Nb having a thickness of 0.2 mm is wound around the outer periphery (a diffusion barrier layer composed of two layers of a Ta layer and a Nb layer), and these are integrated to obtain an outer diameter of 60 mm. Inserted into a Cu pipe (stabilized copper layer) having an inner diameter of 54 mm, and sealed by welding to form a secondary multi-core billet (see FIG. 2).

得られたビレット(二次多芯ビレット)を、静水圧押出し法により、直径:20mmに押出し、これを引抜き加工により伸線して、直径:0.8mmのブロンズ法Nb3Sn超電導線材製造用前駆体を作製した。 The obtained billet (secondary multi-core billet) was extruded to a diameter of 20 mm by the hydrostatic extrusion method, and this was drawn by drawing to produce a bronze method Nb 3 Sn superconducting wire having a diameter of 0.8 mm. A precursor was prepared.

尚、Cu−Sn合金を含む一次多芯線および二次多芯線の伸線加工に際しては、Cu−Sn合金の加工硬化を原因とした断線がおこらない様に、加工途中に複数回の焼鈍を実施した(焼鈍条件は実施例1と同じ)。   When drawing primary and secondary multi-core wires containing Cu-Sn alloy, annealing is performed multiple times during the processing so that disconnection due to work hardening of Cu-Sn alloy does not occur. (The annealing conditions are the same as in Example 1).

得られた前駆体を、真空中において650℃で100時間の熱処理(拡散熱処理)を施して、Nb3Sn超電導線材とした。こうして得られたNb3Sn超電導線材において、実施例1と同様にして、0.2%耐力、交流損失Phおよび臨界電流密度Jcを測定した。また、熱処理前の段階(減面加工後の最終形状)での補強部材の面積率(純Nb面積率)を実施例1と同様にして[前記(1)式に基づいて]求めた。 The obtained precursor was subjected to a heat treatment (diffusion heat treatment) at 650 ° C. for 100 hours in a vacuum to obtain a Nb 3 Sn superconducting wire. In the Nb 3 Sn superconducting wire thus obtained, the 0.2% yield strength, the AC loss Ph, and the critical current density Jc were measured in the same manner as in Example 1. Further, the area ratio (pure Nb area ratio) of the reinforcing member in the stage before the heat treatment (final shape after the surface-reduction processing) was obtained in the same manner as in Example 1 [based on the formula (1)].

これらの結果(試験No.11〜20)を一括して、下記表2に示す。   These results (Test Nos. 11 to 20) are collectively shown in Table 2 below.

Figure 0005632767
Figure 0005632767

実施例1の結果と対比して明らかなように、拡散障壁層として、少なくともTa層を介在させることによって、交流損失を更に抑えることができることが分かる。   As apparent from the comparison with the result of Example 1, it is understood that the AC loss can be further suppressed by interposing at least a Ta layer as the diffusion barrier layer.

1 Cu−Sn基合金マトリックス
2 Nb若しくはNb基合金からなる芯材
3 一次スタック材
4 拡散障壁層
5 パイプ形状のCu−Sn合金
6 安定化銅
7 二次多芯ビレット
8 補強部材
9 Ta層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Cu-Sn base alloy matrix 2 Core material which consists of Nb or Nb base alloy 3 Primary stack material 4 Diffusion barrier layer 5 Pipe-shaped Cu-Sn alloy 6 Stabilized copper 7 Secondary multi-core billet 8 Reinforcement member 9 Ta layer

Claims (4)

Nb3Sn超電導線材を製造する際に用いる超電導線材製造用前駆体であって、Cu−Sn基合金中に、複数本のNbまたはNb基合金からなるNb基フィラメントが配置された超電導マトリックス部と、その外周に拡散障壁層および安定化銅層を有する超電導線材製造用前駆体において、
前記超電導マトリックス部には、純Nbからなる補強部材配置されると共に、当該補強部材の外周面にTa層が形成されたものであり、且つ補強部材の前駆体横断面に占める面積率が8〜30%であることを特徴とするNb3Sn超電導線材製造用前駆体。
A superconducting wire manufacturing precursor used when manufacturing a Nb 3 Sn superconducting wire, and a superconducting matrix portion in which a plurality of Nb-based filaments made of Nb or Nb-based alloys are arranged in a Cu-Sn base alloy; In the precursor for producing a superconducting wire having a diffusion barrier layer and a stabilized copper layer on its outer periphery,
In the superconducting matrix portion, a reinforcing member made of pure Nb is also arranged, a Ta layer is formed on the outer peripheral surface of the reinforcing member, and an area ratio occupied by the precursor cross section of the reinforcing member is 8 A precursor for producing a Nb 3 Sn superconducting wire, characterized in that it is ˜30%.
前記補強部材は超電導マトリックス部の横断面中央に配置されたものである請求項1に記載のNb3Sn超電導線材製造用前駆体。 2. The precursor for producing an Nb 3 Sn superconducting wire according to claim 1, wherein the reinforcing member is disposed at the center of the cross section of the superconducting matrix portion. 前記拡散障壁層は、Nb層またはTa層、或はNb層とTa層の2層からなるものである請求項1または2に記載のNb3Sn超電導線材製造用前駆体。 3. The precursor for producing a Nb 3 Sn superconducting wire according to claim 1, wherein the diffusion barrier layer is composed of an Nb layer or a Ta layer, or two layers of an Nb layer and a Ta layer. 請求項1〜3のいずれかに記載のNb3Sn超電導線材製造用前駆体に対して、700℃以下の温度でNbSn生成熱処理を施すことによってNb3Sn系超電導相を形成したものであるNb3Sn超電導線材。 The Nb 3 Sn superconducting phase is formed by subjecting the Nb 3 Sn superconducting wire manufacturing precursor according to any one of claims 1 to 3 to a Nb 3 Sn generation heat treatment at a temperature of 700 ° C. or lower. An Nb 3 Sn superconducting wire.
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