JPH02119014A - 化合物系超電導線の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 本発明は、核融合炉用トロイダルマグネツ゛ト、拉子加
連機用マグネット、超電導発電機用マグネット等に利用
される化合物系超電導線の製造方法に関する。

「従来の技術」 従来、金属基地の内部に無数の極細の超電導線ｚ４［を
配列した構造の超電導線を製造する方法としてインサイ
チュ法が知られている。このインサイチュ法によりＮｂ
３Ｓｎ系の超電導線を製造するには、所定成分のＣｕ−
Ｎ　ｂ−Ｓ　ｎ合金あるいはＣｕ−Ｎ　ｂ合金を溶製し
、ＣｕあるいはＣｕ−Ｓｎ合金基地の内部にＮｂの樹枝
状晶が分散した組織を有し、しかも加工性が高い第１２
図に示すインサイチュインゴットｌを作成する。次にこ
のインサイチュインゴットｌに線引、加工を施し、第１
３図に示すようにＮｂの繊維が多数密接して金属基地内
に分散配列されたインサイチュロッド２を作成する。続
いて前記インサイチュロッド２の外周面にＳｎのメッキ
層２ａを形成して第１４図に示す素線３を作成し、次に
この素線３に拡散熱処理を施してメッキ層２ａのＳｎを
素線３の内部側に拡散させてＮｂの繊維と反応させるこ
とによりＮｂ、ｌＳｎ超電導繊維を生成させて第１５図
に示す超電導線５を製造することができる。

「発明が解決しようとする課題」 前記構造の超電導線５は安定化材を具備していないため
に、実用に供する場合は別途に良導電性の金属安定化材
を添設する必要があり、撚線導体化する場合などに金属
安定化材を別途に添設する必要があって導体が大型化す
る問題があった。また、前記構造の超電導線は、機械歪
に対し、臨界電流密度の低下割合が著しく、補強材が必
要であるいが、補強材を添設すると導体が大型化する問
題がある。

本発明は、前記課題を解決するためになされたもので、
機械強度が高く、超電導特性の安定化の面で優れ、交流
用として優れるとともに、小型軽量化をなしえた化合物
系超電導線を製造する方法を提供することを目的とする
。

「課題を解決するための手段」 本発明は前記課題を解決するために、純銅からなる安定
化材の外周に拡散防止層を形成してなる安定化素材と、
非磁性の合金鋼からなる補強芯材の周囲を拡散防止層で
覆ってなる補強・素材と、超電導金属間化合物を構成す
る複数の元素のうち少なくとも１つ元素の樹枝状晶を金
属基地の内部に分散してなるインサイチュロッドとを各
々複数本集合した後に金属管の内部に挿入し、縮径加工
して素線を作成し、この素線に前記超電導金属間化合物
を構成する複数の元素のうち、残りの元素を含有するメ
ッキ層を形成してメッキ素線を作成し、次いでこのメッ
キ素線に拡散熱処理を施し、メッキ層の元素を素線の内
部側に拡散させて超電導繊維を生成させるものである。

「作用　」 超電導線の内部に純銅製の安定化材が複合されるので、
この安定化材が超電導特性を安定化する。

また、超電導線の内部に安定化材が複合されているので
、超電導線に別途に安定化材を設ける必要がなくなり、
超電導線が小型軽量となる。更に、超電導線の内部に非
磁性の合金鋼からなる補強芯材が複合されるので、機械
強度が高く、超電導発電機用巻線などとして使用した場
合に、回転力に伴って付加される機械的応力あるいは電
磁力が作用しても超電導特性の劣化が抑制される。

以下に本発明を更に詳細に説明する。

第１図ないし第９図は、本発明方法をＮｂ５Ｓｎ超電導
線に適用した一実施例を示すもので、零発・明方法を実
施して超電導線を製造するには、第２図に示すインサイ
チュロッド１０と第４図に示す補強素材１１と第６図に
示す安定化素材１２を各々作成する。

第２図に示すインサイチュロッド１０を作成するには、
所定成分のＣｕ−Ｎ　ｂ−９ｎ合金、またはＣｕＮｂ合
金を溶製し、ＣｕあるいはＣｕ−Ｓｎ合金基地の内部に
Ｎｂの樹枝状晶が分散した組織を有し、しかも加工性が
高い第１図に示すインサイチュインゴット１５を得、こ
のインサイチュインゴット！５に縮径加工を施すことに
より作成することができる。このインサイチュロッドＩ
Ｏは、Ｎｂの繊維が多数密接してＣｕ合金基地内に分散
配列された構造となっている。なお、インサイチュイン
ゴット１５の金属基地内にＳ　ｃ、Ｔ　ｉ、Ｖ　、Ｃｒ
、Ｍｎ。

Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎ　ｉ、Ｓ　ｒ、Ｙ　、Ｃｂ、Ｚｒ、Ｒｈ
、Ｐｄ、Ｃｅ、Ｐ　ｒ。

Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔ
ｌなどの磁性元素の１８以上を添加しても良い。前記磁
性元素を添加するには、インサイチュインゴット１５を
溶製する場合に、溶湯の内部に予め前記磁性元素を合資
させておけば良い。そしてこれらの磁性元素の含有爪は
、金属基地（この例の場合はＣｕ合金）を構成する金属
元素に対して磁性元素が全率固溶するものである場合は
、２重量％以下が好ましく、金属間化合物を生じるおそ
れがある磁性元素の場合には０．５重量％以下が好まし
い。ここでこの例のよう、にＣｕの金属基地を用いる場
合は、ＭｎとＮｉなどがＣｕに対して全率固溶するので
ＭｎまたはＮｉを添加する場合に２重量％以下添加する
しのとする。

次に、第４図に示す補強素材２を作成するには、非磁性
のステンレス鋼などの高強度の合金鋼からなる第３図に
示す芯材１６の外周にＴａ、Ｎｂなどの金属材料からな
る拡散防止層１７を形成し、更にその外周に純銅からな
る金属管１８を被覆し、更に全体を縮径することにより
作成することができる。ここで前記芯材１６を構成する
材料は、５ＵＳ３０４，３１６．ＬＨなどの非磁性の高
強度の合金鋼が好ましい。

また、第６図に示す安定化素材１２を作成するには、無
酸素銅などの純銅からなる第５図に示す安定化材２０の
外周に、Ｔａ、Ｎｂなどの金属材料からなる拡散防止層
２１を形成し、更にその外方に、純銅からなる金属層２
２を形成して安定化素材１２を作成することができる。

なお、前記拡散防止層１７．２１は、後工程で行う拡散
熱処理時に、芯材１６あるいは安定化材２０の内部側に
他の元素が拡散することを防止して芯材１６あるいは安
定化材２０の汚染を防止するために設けるものであり、
その構成材料としては融点が８００℃以上の金属材料で
あって、銅に対する反応性の低いＴａやＮｂなどが好適
に用いられる。また、前記拡散防止層１７．２１を形成
する手段は、芯材１６あるいは安定化材２０に金属管を
被せて縮径するか、金属テープの巻き付けを行うか、メ
ッキを施すなどの手段を適宜用いることができる。

前述のようにインサイチュロッドＩＯと補強素材１１と
安定化素材１２を作成したならば、これらを複合する。

複合を行う場合、例えば、第７図に示すように、安定化
素材１２の外周にインサイチュロッドＩＯと補強素材１
１を交互に配置し整列させて添設する。添設が終了した
ならば、その外方にＣｕあるいはＣｕ−Ｓｎ合金からな
る管体２５を第７図に示すように被せ、この後に縮径加
工を施して得るべき超電導線と同等の線径まで縮径して
第８図に示す素線２６を作、成する。

次にこの素線２６の外周にＳｎのメッキ層２７を形成し
て第８図に示すメッキ素線２８を作成する。

続いてこのメッキ素線２８を１００℃以上の温度でＳｎ
の融点よりも低い温度、より好ましくは！８０℃〜２２
０℃で数十時間〜数百時間加熱する第１熱処理を行うと
ともに、３００〜４５０℃で数十時間加熱する第２熱処
理を行い、その後に５００〜６５０℃で数十時間〜数百
時間加熱する最終拡散熱処理を行う。

以上の各段階の熱処理の場合、第１熱処理においてＳｎ
の融点より低い温度で加熱することにより、メッキ層２
７の溶は落ちを防止しながらメッキ層２７のＳｎを素線
２６の内部側に拡散させてメッキ層２７を消失させるこ
とができる。また、第２熱処理において引き続き３００
〜４５０℃で加熱することによりＣｕ−Ｓｎ化合物の生
成を阻止しなからＳｎをインサイチュロッドｌＯの内部
側に十分に拡散させることができる。そして最終拡散熱
処理を行うことによりインサイチュロッドｌＯの内部の
Ｎｂの極細繊維とＳｎを反応させてＮｂ。

Ｓｎ超電導繊維を生成させ、第９図に示す超電導線２９
を得ることができる。

なお、前記熱処理時に素線２６の内部側にＳｎが拡散さ
れた場合、安定化材２０の外方側に設けた拡散防止層２
１が安定化材２０側へのＳｎの拡散を防止するので安定
化材２０のＳｎによる汚染が防止される。また、ステン
レス鋼製の芯材１６の外周に設けられている拡散防止層
Ｉ７は、ステンレス鋼に含まれるＦｅとＮｉとＣｒｈ＜
　Ｓ　ｎと反応することを防止する。Ｓｎとこれらの元
素が反応すると、Ｉ？　ｅ−９ｎＳＦ　ｅ−Ｎ　ｉ−Ｓ
　ｎ、　Ｎ　ｉ−Ｓ　ｎなどの脆い金属間化合物相が生
成し、超電導線２９の機械強度の低下を来すおそれがあ
るので好ましくない。

以上のように製造された超電導線２９においては、中心
部に純銅製の安定化材２０を縮径した芯部が設けられ、
その外方側に拡散防止層２１が形成され、拡散防止層２
１の外方側にインサイヂュ超電導体と補強素材が配列さ
れるとともに、それらの外側をＣｕ−ａＳｎ合金層で覆
った構造となっている。

この超電導ｔｌＡ２９は液体ヘリウムなどの冷媒によっ
て極低温に冷却して使用する。また、この超電導線２９
の内部には合金鋼からなる芯材１６が複合されているの
で、機械強度が高く、機械歪に強い構造となっている。

従ってこの超電導線２９を超電導発電機の界磁巻線など
のように交流用として用い、回転遠心力あるいは電磁力
などによる機械歪が加わった場合であっても、超電導特
性の劣化の度合が少ない特徴がある。なお、芯材１６は
非磁性の合金鋼からなるために、超電導線２９が発生さ
せる電磁力により影響を受けることはない。更に前記超
電導線２９においては、中心部に設けた安定化材２０に
対するＳｎの汚染が防止されているので、安定化材２０
の極低温における電気抵抗は十分に低い値になり、超電
導線の安定性は十分に高いものとなる。また、超電導線
２９の中心部に安定化材ＩＯを複合した構造になってい
るので超電導線の外方に別途に安定化材を添設する必要
があった従来の超電導線に比較してコンパクトな構造に
することができ、小型軽量な超電導線２９が得られる。

なお、インサイチュロッドｌＯの金属基地に磁性元素を
含有させた場合、交流通電を行うと、超電導ｗｔ椎間に
生じる結合損失を低減することができる。ここで超電導
線において交流通電時に超電導繊維の間に結合損失が生
じるのは、交流用の超電導線にあっては、超電導繊維が
直径Ｏ１１μｍ程度まで極細化されており、このような
極細径の超電導繊維からは、その周囲のＣｕ−Ｓｎ合金
基地側に超電導電子の電子ペアがしみ出し、隣接する超
電導線Ｕ［の間で電子ペアの結合がなされるためである
。従って超電導繊維の周囲のＣｕ−Ｓｎ合金基地内に磁
性を有する元素が含有されていると前記電子のベアがそ
の磁性によりくずされて結合が生じにくくなり、結果的
に交流損失が減少する。

第１０図はこの発明の詳細な説明するためのもので、先
の例で用いたインサイチュロッド１０と同等の構造のイ
ンサイチュロッド３０と、先の例で用いた補強素材１１
と同等のｔＭ造の補強素材３１と、先の例で用いた安定
化素材１２と同等の構造の安定化素材３２を用意する。

そして、安定化素材３２を７本束ね、その外方にインサ
イチュロッド３０と補強素材３１を交互に配置し、その
外方にＣｕあるいはＣｕ−Ｓｎ合金からなる管体３３を
被せ、全体を縮径して素線とし、Ｓｎメッキ層を形成し
て熱処理を施すことによりＮｂ５Ｓｎ超電導線を製造す
ることができる。

第１１図はこの発明の詳細な説明するためのもので、先
の例で用いたインサイチュロッドｌＯと同等の構造のイ
ンサイチュロッド４０と、先の例で用いた補強素材１１
と同等の構造の補強素材４１と、先の例で用いた安定化
素材１２と同等の構造の安定化素材４２を用意する。そ
して、安定化素材４２を１０本、第１１図に示すように
逆Ｙ字状に配置し、その周囲にインサイチュロッド４０
と補強素材４１を配置し、その外方にＣｕあるいはＣｕ
−Ｓｎ合金からなる管体４３を被せ、全体を縮径して素
線とし、Ｓｎメッキ層を形成して熱処理を施すことによ
りＮｂ＝Ｓｎ超電導線を製造することができる。

なお、前記の６例においては、Ｎｂ、Ｓｎ系に本発明方
法を適用した例について説明したが、本発明方法をＶ、
Ｇａ系などの他の化合物系超電導線の製造方法に適用し
てもよいのは勿論である。

「実施例」 直径１０ｍｍの無酸素銅製のロッドに外径１５ｍｍ。

内径１１ｍｍのＴａデユープを被せ、更に、外径１７ｗ
＋ｍ、内径１６ｍｍの純銅製の管体を披Ｕ゛て全体を直
径１０ｍｍまで縮径して安定化素材を得た。

Ｃｕ−３０ｗｔ％Ｎｂ合金からなる直径５０ｍｍのイン
サイチュインゴットを溶製し、このインサイチュインゴ
ットを縮径して直径２．３ｍｍのインサイチュロッドを
作成した。

また、ステンレス鋼（ＪＩＳ規定５ＵＳ３０４）からな
る直径１０ｍｍの補強芯材の外周に外径１５ＩＩＩＩ１
１１内径ＩＩｍａ＋のＴａデユープを被せ、更に外周に
外径１７ｍｍ、内径１６ＩＩｌｆｆｌの純銅のチューブ
を彼せ、外径２．３１１１Ｉ１１まで縮径して補強素材
を得る。

先に作成した安定化素材の外周に、前記インサイヂュロ
ツド９本と補強素材を９本交互に配し、純銅からなる外
径１７ｉｏ＋、内径１５．５１１１１の管体に挿入して
線引加工を行って直径０．３ｍｍの素線を得た。

次いでこの素線に電気メッキによりＳｎメッキを行い、
厚さ約５μ口のＳｎメッキ層を形成してメッキ素線を得
、このメッキ素線を１８０℃で４日間加熱してＳｎメッ
キ層を消失させ、更に４００℃で２日間加熱して素線内
部にＳｎの拡散を進行させ、次いで５００℃にｌＯ日間
加熱する熱処理を施してインサイチュ導体内部のＮｂの
極細繊維とＳｎを反応させて超電導繊維を生成させて超
電導線を製造した。

以上説明したように製造されたＮｂ５Ｓｎ超電導線にお
いてｌ０Ｔ（テスラ）の外部磁場のもとで臨界電流を測
定したところ、２０Ａであた。

また、曲げ歪を付与した後に臨界電流を測定したところ
、曲げ全豹４％まで臨界１ｉ流値の劣化が見られなかっ
た。

「発明の効果」 以上説明したように本発明によれば、超電導線の内部に
高強度の合金鋼からなる補強用の芯材を複合しているの
で、機械強度に優れ、機械歪が付加されても超電導特性
の劣化の度合の少ない超電導線を提供することができる
。また、拡散防止層で被覆した構造の安定化素材を超電
導線の内部に複合するので、拡散熱処理時の元素拡散に
よって安定化材が汚染されることがなく、極低温時の安
定化材の電気抵抗を低く維持することができ、超電導特
性の安定化の面で優れた超電導線を得ることができる。

更に、超電導線の内部に安定化材を複合するので、外部
に別途に安定化材を添設する必要があった従来の超電導
線に比較して小型軽量化した超電導線を得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第９図は本発明方法の一例を説明するため
のもので、第１図はインサイチュインゴットの断面図、
第２図はインサイチュロッドの断面図、第３図は補強用
の芯材の断面図、第４図は補強素材の断面図、第５図は
安定化材の断面図、第６図は安定化素材の断面図、第７
図はインサイチュロッドと補強素材と安定化素材の集合
状態を示す断面図、第８図はメッキ素線の断面図、第９
図は超電導線の断面図、第１０図は超電導線の第２の製
造方法を説明するための、第１１図は超電導線の第３の
製造方法を説明するための断面図、第１２図ないし第１
５図は従来の超電導線の製造方法の一例を示すもので、
第１２図はインサイチュインゴットの断面図、第１３図
はインサイチュロッドの断面図、第１４図はメッキ素線
の断面図、第１５図は超電導線の断面図である。 ０．３０．４０・・・インサイチュロッド、１．３１．
４１・・・補強素材、 ２．３２．４２・・・安定化素材、 ５・・・インサイチュインゴット、１６・・・芯材、７
．２１・・・拡散防止層、２０・・・安°定化材、２６
・・・素線、２７・・・メッキ層、２８・・・メッキ素
線、２９・・・超電導線。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 純銅からなる安定化材の外周に拡散防止層を形成してな
   る安定化素材と、非磁性の合金鋼からなる補強芯材の周
   囲を拡散防止層で覆ってなる補強素材と、超電導金属間
   化合物を構成する複数の元素のうち少なくとも１つ元素
   の樹枝状晶を金属基地の内部に分散してなるインサイチ
   ュロッドとを各々複数本集合した後に金属管の内部に挿
   入し、縮径加工を施して素線を作成し、この素線に前記
   超電導金属間化合物を構成する複数の元素のうち、残り
   の元素を含有するメッキ層を形成してメッキ素線を作成
   し、次いでこのメッキ素線に拡散熱処理を施し、メッキ
   層の元素を素線の内部側に拡散させて超電導繊維を生成
   させることを特徴とする化合物系超電導線の製造方法。