JPH0377608B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

〔発明の技術分野〕 本発明は、Nb₃Sn系複合超電導線の製造方法に
関する。 〔発明の背景技術とその問題点〕 Nb₃Sn系複合超電導線の製造方法として、従
来、次のような方法が知られている。すなわちそ
の１つはブロンズ法と呼称さている方法で、すず
（Sn）を13〜14重量％含んだ銅すず（ブロンズ）
合金マトリツクスの中にニブ（Nb）もしくはニ
オブ系合金等のニオブ系金属棒を配置し、これに
繰返し加熱焼鈍を加えつつ減面加工を施した後、
加熱処理を施し、Nb₃Sn層を生成させて複合超電
導線を製造する方法である。 しかしながら、この方法においては次のような
欠点があつた。すなわち、すずを13〜14重量％含
んだブロンズ合金は、加工硬化が大きいため、減
面加工中に減面加工率40〜60％毎に１回の割合に
500〜650℃の温度で中間焼鈍を行ない、加工によ
つて増加したブロンズ合金の硬度を下げる必要が
ある。この中間焼鈍回数は、全加工工程で数10回
にもなり、また、非酸化性雰囲気中で処理しなけ
ればならないので、その準備、及び処理等が非常
に煩雑になる欠点があつた。 一方、他の１つは、上述した中間焼鈍をなくす
ために加工硬化しない素材構成を採用したNb.
tube法と呼称されている方法で、特開昭52−
16997号公報に示されているように、ニオブ管の
内側に銅被覆されたすず棒を配置するとともに上
記ニオブ管の外側に安定化材としての銅を被覆し
てなる複合体を複数本束ねて減面加工した後、加
熱処理を施し、Nb₃Sn層を生成させて複合超電導
線を製造する方法である。 しかしながら、この方法では、ニオブ管を使う
ため、ニオブ棒を使用する場合と異なつた加工上
の問題点が高加工度の減面加工を施すに従つて現
われる。すなわち、臨界曲げ歪みを大きくするた
めに、複合体組込時からの減面加工度が10⁴を越
えるような細線加工を施した場合、ニオブ管に肉
切れ（周方向の切れ）が生じたり、ニオブ管の断
線（芯線切れ）等が生じ易い。このような現象が
生じた超電導素線を加熱処理すると、ニオブ管内
側のすずがニオブ管外に拡散するため臨界電流I_c
の低下や銅マトリツクスのすずによる汚染が引き
起こす冷却不安定化を招くことになる。また、上
述の現象が起こらないように低加工度の減面加工
で止めた場合には、ニオブ管の径が太くなり、か
つ加熱処理によつて生成されるNb₃Sn層も厚くな
るので、これが原因して臨界曲げ歪ε_bcの低下や
AC損失の増大を招く等の不具合が生じ、結局、
減面加工度が10⁴を越えるような減面加工を施し
た場合にはNb.tube法の特徴を発揮させることが
できない問題があつた。 〔発明の目的〕 本発明は、上記のような事情に鑑みてなされた
もので、その目的とするところは、Nb.tube法の
利点を発揮できるとともに、ニオブ管フイラメン
トの肉切れ、芯線切れのない良好な加工性を持
ち、かつ、臨界電流I_cが高く、臨界曲げ歪ε_bcが高
く、しかも低AC損失の充分安定化されたNb₃Sn
系複合超電導線を容易に製造しうる方法を提供す
ることにある。 〔発明の概要〕 この発明は、すずまたはすずを主成分とするす
ず系合金棒を銅を主成分とする銅系合金管で被覆
するとともに上記銅系合金管の外周をニオブを主
成分とするニオブ系合金管で覆い、さらに上記ニ
オブ系合金管の外周を安定化材としての銅で覆つ
てなる複合体に減面加工を施した後、640〜770℃
の温度で熱処理して上記複合体中にNb₃Sn超電導
化合物芯線を生成させるようにした複合超電導線
と製造方法において、前記銅係合金管および前記
ニオブ系合金管の少なくとも一方として、チタン
を0.1〜５原子％の範囲含有したものを用いるよ
うにしたことを特徴としている。 〔発明の効果〕 Cu（銅）系合金管および上記Cu（銅）系合金管
の外側に配置されるNb（ニオブ）系合金管の少な
くとも一方にTi（チタン）を前記範囲に含有させ
るようにしているので、従来のNb.tube法に比べ
て加工性を向上させることができる。 これは次のような理由による。すなわち、Cu
を主成分とするCu系合金に前記範囲にTiを添加
して得られた材料は、Tiを添加しない前の材料
に比べて靭性が向上する。これはNbを主成分と
するNb系合金にも言え、Nb系合金に前記範囲に
Tiを添加して得られた材料は、Tiを添加しない
前の材料に比べて靭性が向上する。 一方、Nbを主成分とするNb系合金は、Cuを
主成分とするCu系合金より硬度が高い。そして、
Nbを主成分とするNb系合金に前記範囲にTiを
添加して得られた材料の硬度は、Tiを添加しな
い前の材料とほとんど変わらない。しかし、Cu
を主成分とするCu系合金に前記範囲にTiを添加
して得られた材料の硬度は、Tiを添加しない前
の材料より高くなり、この硬度はNbを主成分と
するNb系合金のそれに近くなる。 したがつて、Tiの添加されたCu系合金管とTi
の添加されていないNb系合金管とを組み合わせ
た場合には、Tiの添加されたCu系合金管とNb系
合金管との硬度差の小さいことが有効に作用し
て、減面加工時における両合金管の密着性を向上
でき、これによつて高加工度の減面加工を施して
もNb系合金管の肉切れや芯線切れを防止できる。
また、Tiの添加されていないCu系合金管とTiの
添加されたNb系合金管とを組み合わせた場合に
は、Tiの添加されたNb系合金管の靭性が向上し
ていることが有効に作用し、これによつて高加工
度の減面加工を施してもNb系合金管の肉切れや
芯線切れを防止できる。さらに、Tiの添加され
たCu系合金管とTiの添加されたNb系合金管とを
組み合わせた場合には、両合金管の硬度差が小さ
いことと、両合金管の靭性が向上していることと
が相俟つて、高加工度の減面加工を施してもNb
系合金管の肉切れや芯線切れを防止できる。この
ように加工性を向上させることができるので、次
のような効果が得られる。すなわち、Nb系合金
管フイラメントが切れないため、加熱処理時に内
包したSn（すず）がNb系合金管の外側の安定化
材としてのCuマトリツクスに拡散することがな
い。このためSnを有効利用でき臨界電流I_cを高く
することができる。また、CuマトリツクスがSn
で汚染されないため、Cuマトリツクスに低熱抵
抗を維持させることができ、冷却の安定性を確保
させことができる。また、高減面加工度において
も、Nb系合金管の健全性が保たれるため、Nb系
合金管の径を小さくするとともにNb径合金管の
肉厚を薄くできる。このため、高臨界電流I_cを得
るため、Nb系合金管に内包されたSnのほとんど
をNbと反応させても生成されるNb₃Sn層の厚み
はそれ程、厚くはならない。したがつて臨界曲げ
歪ε_bcを大幅に向上させることができるとともに
AC損失を大幅に低減させることができる。 〔発明の実施例〕 以下、本発明の実施例を適宜図面を参照しなが
ら説明する。 実施例 １ 第１図に示すように、常温と4.2Kとにおける
電気抵抗比が150の無酸素銅でマトツクス１を構
成し、このマトリツクス１に内径８mmの孔２を複
数平行に設け、これら孔２内にSn棒３をCu径合
金管４で被覆するとともにその外周を内径5.6mm、
外径８mmのNb系合金管５で被覆してなる線体を
挿入して複合体６を構成した。実際には、以下に
述べるように各部の寸法関係が等しい16種類の複
合体６製作し、しかも各種類について10個ずつ製
作した。これら16種類の複合体５は、大きく分け
ると５つに大別される。すなわち、その１は、１
ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄの分類に所属する合計40個
の複合体で、これらは、参考として形成されたも
のであり、従来のCu系合金管およびNb系合金管
をそれぞれ用いたものである。また、その２は、
２ａ，２ｂ，２ｃの分類に所属する合計30個の複
合体で、２ａはTi（チタン）を0.2原子％含有した
Cu系合金管を用いたもの、２ｂはTiを0.4原子％
含有したCu系合金管を用いたもの、２ｃはTiを
0.6原子％含有したCu系合金管を用いたものであ
る。また、その３は、３ａ，３ｂ，３ｃ、の分類
に所属する合計30個の複合体で、３ａはTiを原
子％含有したNb系合金管を用いたもの、３ｂは
Tiを2.5原子％含有したNb系合金管を用いたも
の、３ｃはTiを４原子％含有したNb系合金管を
用いたものである。また、その４は、４ａ，４
ｂ，４ｃの分類に所属する合計30個の複合体で、
それぞれ表１に示すようにTiを含有したCu系合
金管と、Tiを含有したNb系合金管とを用いたも
のである。また、その５は５ａ，５ｂ，５ｃの分
類に所属する合計30個の複合体で、これらはTi
を0.4原子％含有したCu系合金管を用いたもので
ある。 しかして、上記のように構成された16種類、合
計160個の複合体に、表１に示すように、静水圧
押出と冷間引抜加工による減面加工を施し、減面
加工度が10⁴〜10⁶となるように細線化（線径約
0.8mm）した。次に、これらにツイスト加工を施
した後、725℃で加熱処理を行ない、第２図に示
すようにNb径合金管５の内側にNb₃Sn層７の生
成された複合超電導線Ｘを得た。なお、第２図中
８は反応後のCuSn合金層を示している。 このようにして得られた16種類160本の複合超
電導線について、4.2K、10テスラ磁場中での臨
界電流I_cの測定、Nb径合金管フイラメントの芯
線切れの測定、Nb系合金管の肉切れ測定を行な
つてみた。なお、肉切れの測定は各複合超電導線
を長手方向に12等分に切断し、そのうちの10個所
の切断端面を顕微鏡で観察して行なつた。また、
芯線切れの測定は、12等分された各複合超電導線
の両端を除く10区分について外側Cu層をしよう
酸で溶かして除去し、これら各区分を顕微鏡で観
察して行なつた。そして、各分類毎に臨界電流I_c
の平均値、肉切れの発生しているものの割合、芯
線切れの発生しているものの割合を求めたところ
表１に示す結果を得た。

【表】

【表】 表１から明らかなように、分類１ａ〜１ｄに所
属する従来の製造方法では、10⁴以上の加工度で、
加工度の増加と共に芯線切れ、Nb係合金管フイ
ラメントの肉切れが増加している。これに対し
て、分類２ａ〜２ｃ，３ａ〜３ｃ，４ａ〜４ｃ，
５ａ〜５ｃに所属する本発明の製造方法では、加
工度が10⁵まで、芯線切れやNb系合金管フイラメ
ントの肉切れが全く発生せず、10⁶の加工度で僅
かにNb系合金管フイラメントの肉切れについて
は２％、芯線切れについては１％発生した。そし
て、臨界電流I_cについては、たとえば分類２ａ〜
２ｃの従来の製造方法で製造されたものとを比較
すると40％も向上している。このような向上は、
Tiの含有したCu係合金管あるいはNb系合金管を
用いたことによつて加工性が向上したことによ
る。この加工性の向上は、Tiの含有によつて、
Cu系合金管とNb系合金管との硬度差の減少、あ
るいはNb系合金管およびCu系合金管の靭性の向
上によるものである。 このように、Cu系合金管よおびNb系合金管の
少なくとも一方にTiを含有させると単に、臨界
電流I_cを向上させることができるに止まらず、高
加工度の加工が採用できるので、次のような効果
もある。すなわち、Nb系合金管を小径で薄肉に
することができるので、最終的に得られるフイラ
メント直径を十分小さくでき、これによつて臨界
曲げ歪ε_bcを大きくできるばかりかAC損失の低下
を図ることができ、結局、全ての特性が勝れた複
合超電導線を得ることができる。 実施例 ２ 実施例１における分類２ａ〜２ｃと同じ複合体
構成で、含有Ti濃度が種々異なるCu径合金管を
組込んだ複数の複合体について、それぞれ加工度
10⁵で減面加工し、その後に725℃で熱処理して複
合超電導線を形成した。これら複合超電導線の
Ti濃度と実施例１で説明した手法と同じ手法で
測定した芯線切れ（％）との関係を調べてみた。
その結果、第３図に示す通りであつた。なお、図
中○印はTi添加Cu系合金を溶解させた後、空冷
処理したCu系合金管を用いた場合を、また●印
は上記合金を融点以下の温度で１時間以上加熱し
た後、水中で急冷する溶体化処理を施したCu系
合金管を組込んだ場合を示している。 この図から、Tiを0.1原子％以上添加すれば芯
線切れが大幅に減少し、またTiを５原子％以上
添加すると、逆に芯線切れが増加することが判つ
た。また、溶体化処理を行なつた方が加工性の良
いことも判明した。 一方、実施例１における分類３ａ〜３ｃと同じ
複合体構成で含有Ti濃度が種々異なるNb系合金
管を組込んだ複数の複合体についても加工度10⁵
の条件で同様に調べてみた。この結果、第４図に
示す通りであつた。 この図からもTiを0.1原子％〜５原子％添加す
ることが有効であることが判明した。したがつ
て、Tiの含有量は0.1〜５原子％の範囲が望まし
い。 実施例 ３ 第５図に示すように、銅被覆されたSn棒１１
を複数集合させ、この集合体の周りにTiを0.4原
子％含んだ複数のCu系合金棒１２を配置してな
る複合体１３を形成した。これに減面加工を施し
て5.5mm径の線体を形成した。この線体を外径８
mm、内径5.6mmのNb系合金管（図示せず）で被覆
し、これらをCuマトリツクスに設けられた孔内
に挿着した後、10⁶加工度の減面加工を施し、0.8
mmの細線を得た。次に、上記細線を725℃で熱処
理してNb系合金管の内側にNb₃Sn層の生成され
た複合超電導線を得た。 このようにして製造された超電導線について
4.2K、12テスラの磁界中で臨界電流を測定した
ところ165Aであつた。また、実施例１、２と同
じ手法で肉切れ、芯線切れを調べたところ、発見
されなかつた。したがつて、このような製造方法
も有効であることが判明した。 なお、上述した各実施例では、725℃で熱処理
を行なつてNb₃Snを生成させるようにしている
が、640〜770℃の範囲であれば良好に生成させる
ことができる。すなわち、640℃未満ではNb₃Sn
の生成反応がほとんど進行しない。また、770℃
を越える温度ではNb₃Sn粒の粒径が増大して臨界
電流I_cを極端に低下させる。また、添加元素とし
てTiを主に述べてきたが、Ta、Hf、In、Mg、
Zr、Al、Ga等の元素もTiほどではないが有効で
ある。また、これらの複合添加も有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は本発明の一実施例に係る
製造方法における導体断面の変化を示す図、第３
図および第４図はチタン含有量と芯線切れとの関
係の実験結果を示す図、第５図は本発明の別の実
施例に係る製造方法を説明するための図である。 １……マトリツクス（銅）、３……すず系合金
棒、４……銅系合金管、５……ニオブ系合金管。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ すずまたはすずを主成分とするすず系合金棒
   を銅を主成分とする銅系合金管で被覆するととも
   に上記銅系合金管の外周をニオブを主成分とする
   ニオブ系合金管で覆い、さらに上記ニオブ系合金
   管の外周を安定化材としての銅で覆つてなる複合
   体に減面加工を施した後、640〜770℃の温度で熱
   処理して上記複合体中にNb₃Sn超電導化合物芯線
   を生成させるようにした複合超電導線の製造方法
   において、前記銅系合金管および前記ニオブ系合
   金管の少なくとも一方として、チタンを0.1〜５
   原子％の範囲含有したものを用いるようにしたこ
   とを特徴とする複合超電導線の製造方法。 ２ チタンを含有した前記銅系合金管は、融点以
   下の温度で液体化処理されたものであることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の複合超電導
   線の製造方法。 ３ 前記すず系合金棒は、それぞれ銅の被覆層で
   覆われた複数本のすず棒を集合させたものである
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の複
   合超電導線の製造方法。 ４ 前記銅系合金管は、複数本の銅系合金棒を環
   状に配列して構成されたものであることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項から第３項の何れか１
   項に記載の複合超電導線の製造方法。