JPS62211358A - Ｎｂ３Ｓｎ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ット、粒子加速
器用マグネット、超電導発電機用マグネット等に利用さ
れ石高＠ＦＡゆ性の優ノ１を−阿り、！”；ｎ招電導線
を製造する方法に関するものである。

「従来の技術」 Ｎ　ｂｓＳ　ｎｌ、：Ｔ　ｉ等の第３元素を添加するこ
とによってＮｂ：＋Ｓｎ超電導線の高磁界特性、特に、
ｆＯＴ（テスラ）以上の臨界電流特性を改善できること
が知られている。そして、Ｔｉを添加したＮｂ３Ｓｎ超
電導線を製造する方法として、従来、以下に説明する方
法が提案されている。

りＮｂ芯材にＴｉを微量（０，１−１５原子％の範囲で
あって、好ましくは１．０〜１．５重量％程度）添加し
て合金化したＮｂ芯材を製造し、このＮｂ芯材を基地内
に配して超電導素線を作製し、これに拡散熱処理を施し
てＮｂ、Ｓｎ超電導線を製造する方法。

２）ブロンズ基地（Ｃｕ−Ｓｎ合金基地）の内部にＴｉ
を微ｆｆ１（０、１〜５原子％の範囲で、好ましくは０
゜２〜０．４重量％）添加することにより３元合金系ブ
ロンズ基地（Ｃｕ−Ｓｎ−Ｔｉ合金基地）を製造し、こ
の３元合金系ブロンズ基地の内部にＮｂ芯材を配して超
電導素線を作製し、これに拡散熱処理を施してＮｔ＋ｓ
Ｓｎ超電導線を製造する方法。

なお、添加する第３元素としてＴｉの代わりにＴａ、Ｈ
ｆ、ＡＩ、ｒｎ、ＧａＸＺｒ等を用いることらある。

「発明が解決しようとする問題点」 前記した各方法には、以下に説明する問題があっノこ。

ａ）Ｔｉのように高温で非常に活性な元素をＮｂ芯材に
微量添加する場合、コストの高い特殊な溶解法、例えば
、電子ビーム溶解法やアーク溶解法を新たに採用しなく
てはならず、製造コストが嵩むとともに、これらの溶解
法を採用してもＴｉをＮｂ芯材に均一に添加するには技
術的にかなりの困難性を伴う。

また、Ｎｂ芯材にＴｉを微ｍ添加することによってＮｂ
芯材の硬度が向上する関係から、極細多心化のために行
う縮径加工の際に強加工する場合、断線等のトラブルを
生じる問題がある。

従って縮径工程においては、Ｎｂ芯材を合金化せずに純
Ｎｂの状態のまま加工することが望ましいのである。

ｂ）ブロンズ基地にＴｉを添加する場合、大気溶解を行
うと後工程の縮径加工の際に割れを生じるために、真空
溶解を行う必要があり、溶解量に制限を生じろ問題があ
る。また、この場合、ブロンズ基地がＣｕ−９ｎ−Ｔｉ
系の３元合金となるために、加工硬化能が大きくなり、
縮径工程で全体に硬化することが早くなり、中間焼鈍を
ひんばんに行わないと断線等のトラブルを生じる問題が
ある。

ところで、前記超電導素線に拡散熱処理を施す場合には
、従来、Ｎｂ芯材の全域にＮｂ３Ｓｎを生成させるので
はなく、Ｎｂ芯材の中心部を除いた部分にＮｂ３Ｓｎを
生成させてＮｂ芯材の中心部をＮｂの状態にしておくこ
とがなされている。

このように拡散熱処理を施す理由は、以下に説明する２
つの理由によっている。

第１の理由は、中心部に純Ｎｂを残すことによって拡散
熱処理後の超電導線の機械強度を高めるためである。

第２の理由は、拡散熱処理を高温で長時間施すことによ
り生じる［ｂ、Ｓｎ結晶粒の粗大化、並びにそれによる
超電導特性の劣化を阻止するためである。即ち、所定の
超電導特性を得るためのＮｂ１Ｓｎを生成させることが
できる拡散熱処理条件のうち、必要最低限の温度と時間
に拡散熱処理条件を止どめろためである。

従って従来、Ｎｂ芯材の中心部分は、Ｎｂ、Ｓｎの生成
に寄与しない部分となっていた。

本発明は前記問題に鑑みるとともに、従来Ｎｂ３Ｓｎの
生成に寄与さ仕ていないＮｂ芯材の中心部分を超電導線
の特性向上のために積極的に、かつ、有効に利用するた
めになされたもので、極細多心化のための縮径加工時に
断線等のトラブルを生じさせろことがなく良好な加工性
を有するとともに、臨界電流密度が高く、良好な超電導
特性を発揮する上に、軽量であり、機械強度の高い超電
導線を製造する方法の提供を目的とする。

「問題点を解決するための手段」 本発明の製造方法は、前記問題点を解消するたＡｌ−Ｃ
−メ−４＄１Ｆ−ｊｔｈｈｎ）ｒｔｒａ？＋−ｘ＋ｂ→
−−Ｗメー羅コ１て構成されろ超電導素線に拡散熱処理
を施ずＮｂ３Ｓｎ超電導線の製造方法において、Ｎｔ）
＋Ｓｎの高磁界域における臨界電流値を向上させるＴｉ
、Ｔａ。

Ｉｎ、Ｈｆ５Ａｈ　Ｚｒのいずれか１つ以上からなる芯
体をＮｂ芯材の中心部に配する方法であって、前記芯体
として、Ｎｂ芯材の直径２割以上でかつ６割以下の値の
直径を有する芯体をＮｂ芯材に配するものである。

「作用」 拡散熱処理時にＮｂ芯材のＮｂと、基地のＳｎとを反応
させることによりＮｂ３Ｓｎ−Ｔｉを生成させて浸れた
超電導特性を発揮させ、Ｎｂ芯社中心部の芯体を超電導
線の強度向上のために利用できるとともに、拡散熱処理
前に、芯体とＮｂ芯材、および芯体と基地を合金化しな
いようにしてＮｂ芯材と基地の加工性を維持することに
より加工性を向上さＵｏ、断線等のトラブルを解消する
。

「実施例」 第１図（Ａ）〜（Ｉ］）は、本発明の一実施例を示すも
ので、第１図（Ａ）に示す複合ロッドＲに順次加工を施
して第１図（Ｉ（）に示す超電導素線Ｔを製造し、この
超電導素線Ｔに後述する拡散熱処理を施して超電導線を
製造する。

超電導線を製造するには、まず、Ｎｂ＊Ｓｎの高磁界域
における臨界電流値を向上させる第３元素であるＴｉか
らなる芯体ｌをＮｂパイプ２に挿通して第１図（Ａ）に
示す複合ロッドＲを作製する。ここで、芯体！の直径を
Ｎｂパイプ２の直径の２割以上で、かつ、６割以下の値
に設定する。なお、前記芯体１を構成する材料は、Ｎｂ
３Ｓｎの高磁界域における臨界電流値を向上させる　Ｔ
ｉ１Ｔａ。

Ｈｒ、　ＡＬ　　Ｉｎｓ　Ｇａ、　Ｚｒ等の第３元素か
らなる高純度材料あるいは、これらの合金材料を用いる
ことができる。また、Ｎｂパイプ２はＮｂロッドに透孔
を形成して作製してもよいし予めパイプ状に形成された
ものを用いてら良い。そして、前述の如＜Ｎｂパイプを
用いる場合、長尺の複合ロッドＲでも自由に作製するこ
とができる。

次に、前記複合ロッドＲに必要に応じて縮径加工を施し
て第１図（Ｂ）に示ずＮｂ芯材３を作製し、このＮｂ芯
＋４３をＣｕ−Ｓｎ合金あるいはＣｕからなる管体４に
第１図（Ｃ）に示すように挿入し、続いて縮径加工を施
して第１図（Ｄ）に示す１次複合徨５を作製する。

次いで、前記１次複合線５を多数本集合して第１図（Ｅ
）に示ずようにＣｕ−Ｓｎ合金あるいはＣｕからなるバ
イブロに挿入し、更に縮径して第１図（Ｆ）に示す２次
複合線７を作製する。

そして更に、前記２次複合線７を多数本集合するととも
に、銅管８と、Ｔａからなるバリア管９と、Ｃｕ−Ｓｎ
合金からなる管体ｌＯから構成される腹合管１！に第１
図（Ｇ）に示すように挿入し、これを所要の直径まで縮
径して第１図（Ｈ）に示すように基地１２の内部にＮｂ
フィラメントとＴｉフィラメントが埋設された超電導素
線Ｔを作製する。

なお、前述の各縮径加工においては、Ｔｉからなる芯体
ｌは基地内部のＮｂあるいはＳｎと合金化していないた
めに、基地の加工性を損なうことはなく、従ってＳｎと
ＴｉあるいはＮｂとＴｉを合金化していた従来の超電導
素線に比較して中間焼鈍条件が有利になり、縮径加工中
の断線等のトラブルらなくなり、加工性が向上する。

また、超電導素線Ｔを製造する工程は、第１図（Ａ）〜
（Ｈ）に示す工程の他に、従来公知の各種工程を採用し
ても良い。即ち、例えば、複合素線の集合は１回以上の
所要回数行っても良く、更に、１次複合線５や２次複合
線７の表面にＳｎメッキ層を形成してＳｎの拡散を促進
する構成にしても良い。

前述の如く製造された超電導素線Ｔに、拡散熱処理（６
００℃〜８５０℃程度の温度に２０〜１５０時間程度加
熱する熱処理）を施し、後述する如く基地１２のＳｎと
Ｎｂ芯材３のＮｂおよびＴｉを反応させてＮｂ＋５ｎ−
Ｔｉを生成し、Ｎ　ｂｓ　Ｓ　ｎ超電導線を製造する。

この際、拡散熱処理を施すことによって超電導素線Ｔの
内部においては、第２図ないし第４図に示すように反応
が進行する。

即ち、第２図に示すように、基地１２の内部にＮｂ芯材
３が配された状態において拡散熱処理を施すと、第３図
に示ずようにＮｂ芯材ｌの外周部側でＮ　ｂ３Ｓ　ｎか
生成し、その過程でＴｉも拡散してＮｂ３Ｓｎ−Ｔｉ層
２０が生成され、拡散熱処理の進行とともに第３図に示
すようにＮｂ３Ｓｎ−’ｒｉ層２０が増大する。そして
、拡散熱処理によってＮｂ３Ｓｎ層２０を芯体１の外周
部側（好ましくは、芯体１の直径の５〜５０％の範囲）
まで侵入させる。

従って前記超電導線においては、Ｎｂ芯材３の外周側の
大部分が第４図に示すようにＮｂ：＋Ｓｎ化した構造で
あり、Ｎｂ芯材３の中心部には芯体ｌの一部が未反応Ｔ
ｉのまま残留している。即ち、前記構造の超電導線は、
未反応Ｎｂを内部に具備していた従来構造の超電導線に
比較して、Ｎｂより軽量性に富み高強度の未反応Ｔｉ部
分を内部に具備するために、機械強度か向上し、軽量性
も備えている。

なお、本発明においては、芯体１の直径をＮｂ芯材３の
直径の２割（Ｎｂ芯材３の全横断面積において、Ｎｂバ
イブ２の占める横断面積割合が９６％の場合）〜６割（
Ｎｂ芯材３の全横断面積において、Ｎｂパイプ２の占め
る溝断面積割合が６４％の場合）の範囲に設定しである
。芯体Ｉの直径をこのｊ；うに設定したのは以下に述べ
る２つの理由によっている。

まず、第１の理由は、芯体Ｉの直径がＮｂ芯材３の直径
の２！′ｌＩを下回る値（即ち、Ｎｂパイプ２の横断面
積がＮｂ芯Ｉ４３の全横断面積の９６％以上の場合）の
場合、前述の如く芯体１の内部に未反応Ｔｉ部分を残す
ように拡散熱処理を施した場合であっても、未反応Ｔｉ
部分による強度向上の効果が得られないためである。

第２の理由は、芯体ｌの直径がＮｂ芯材３の直径の６割
を越える値（即ち、Ｎｂパイプ２の横断面積がＮｂ芯材
３の全横断面積の６４％以下の場合）であると、Ｎｂｆ
ｆ１が少なくなってＮｂ３Ｓｎの生成量が減少し、臨界
電流値が低下して実用的な超電導線とならないためであ
る。

従って本発明では、芯体ｌの直径を先に記載した範囲に
限定しん。

「製造例」 外径１０ｍｍ、肉厚２　、５　ｍｍのＮｂバイブに直径
５ｍｍのＴｉ棒を挿入し、縮径加工を施して直径６ｍｍ
の複合線を作製し、次にこの複合線を、外径１０ｍｍ、
肉厚１．５ｍｍであって、Ｓｎ１３ｗｔ％を含有するブ
ロンズ管に挿入し、縮径加工を施して直径１０ｍｍの１
次複合線を作製した。次に、前記１次複合線を９１本集
合し、外径１３ｍｍ、肉厚０．５ｍｍであって、ＳｎＬ
３ｗＬ％を含有するブロンズ管に挿入して縮径加工を施
し、直径１．０ｍｍの２次複合線を作製した。更に、館
記２次複合線を９１本集合し、外径２０１、肉厚２ｎ＋
ｍの鋼管と、外径１５　ｎｕｎ、肉厚０．５ｍｍのバリ
ア用Ｔａ管と、外径１３１１肉厚０．５ｍｍであって、
Ｓｎ１３ｗｔ％を含有するブロンズ管とからなる複合管
に挿入して縮径加工を施し、直径１．４ｍａ＋の超電導
素線を作製した。

この後に前記超電導素線を８００℃に５０時間加熱する
拡散熱処理を施してＮｂ３Ｓｎ超電導線を製造した。こ
のＮｂ、Ｓｎ超電導線の横断面構造を顕微鏡観察したと
ころ、Ｎｂフィラメントの直径は約５μであり、Ｎｂ３
Ｓｎ層の生成量は約２μであった。そして、Ｎｂフィラ
メント中のＴｉフィラメントの直径は約２μとなってお
り、Ｎｂ３Ｓｎ生成領域はＴｉフィラメント領域に０．
５μ程度食い込んでおり、ＥＰＭＡ（電子プローブマイ
クロアナライザー）で分析したところＮｂ３Ｓｎ中にＴ
ｉが拡散している状態を観察できた。

第５図は前述の如く製造された超電導線の臨界電流特性
を示すものであり、第５図において実線Ａが前述の如く
製造された超電導線の特性を示し、鎖線Ｂが従来のＮｂ
ａＳｎｂ電導線の特性を示している。

第５図より明らかなように、本発明方法によって製造さ
れた超電導線は、ＩＯＴ以上の高磁界域において、従来
のＮｂ３Ｓｎ超電導線よりも良好な臨界電流密度を示し
た。

「発明の効果」 以上説明したように本発明は、Ｎｂ、３Ｓｎの高磁界域
における臨界電流値を向上させるＴｉ、Ｔａ。

Ｉｎ、　ｌ−１ｆＳＡｈ　Ｚｒのいずれか１つ以上から
なる芯体をＮｂ芯材の中央部に配ずろものであり、しか
らその芯体の直径をＮｂ芯材の直径の２割〜６割に限定
した乙のであるため、以下に説明する効果を奏する。

（１）本発明の方法は、Ｎｂ３Ｓｎ生成のための拡散熱
処理において、Ｎｂ＋Ｓｎ結晶粒の粗大化を阻止するよ
うに拡散熱処理を施した場合に、芯体の中心部を未反応
状態で残留させることができるために、軽量で強度の高
いＴｉ等の第３元素で芯体を形成した場合に、芯体中心
部の未反応Ｔｉ部分によって超電導線の強度を向上さＵ
゛るとともに軽量化できる効果がある。

（ＩＩ）本発明の方法は、芯体の直径をＮｂ芯材の直径
の２割〜６割に設定したために、拡散熱処理によってＮ
ｂ芯芯内内部Ｎｂ３Ｓｎを生成させた場合に、未反応部
分を芯体内部に残すために十分な芯体直径を確保ずろこ
とができ、Ｎｂ芯芯内内部十分なｍのＮｂ３Ｓｎを生成
させるためのＮｂ量も確保できるために、優れた超電導
特性を有する上に、強度が高く軽量な超電導線を製めで
きる効果がある。

（ＩＩＩ）本発明の方法は、Ｎｂ芯材の内部にｒｉ、Ｔ
ａ、Ｉｎ、　Ｈｆ、　ＡＩ、　Ｚｒのいずれか１つ以上
からなる芯体を配し、拡散熱処理前に芯体と芯材を合金
化しない状態で縮径加工できるために、Ｎｂ芯材や基地
に芯体を構成する第３元素を添加して合金化していた従
来の超電導線に比較して良好な加工性を得ることができ
る。従って極細多心化のための縮径加工中に断線等のト
ラブルを生じることなく加工することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）〜（Ｈ）ないし第４図は本発明の一実施例
を示すもので、第１図（Ａ）は複合ロッドの横断面図、
第１図（Ｂ）は１次複合線の横断面図、第１図（Ｃ）は
　Ｎｂ芯材を管体に挿入した状態を示す横断面図、第１
図（Ｄ）は１次複合線の横断面図、第１図（Ｅ）は、１
時複合線を集合状態を示す横断面図、第１図（Ｆ）は２
次複合線の横断面図、第１図ＣＧ）は２次複合線の集合
状態を示す横断面図、第１図（１−１）は、超電導素線
の横断面図、第２図は基地内に配されたＮｂ芯材を示す
断面図、第３図は拡散熱処理中のＮｂ芯材を示す断面図
、第４図は拡散熱処理終了後のＮｂ芯１才を示す断面図
、第５図は従来のＮｂ、ＳｎＨ！ｌ電導線の電界線流特
性と本発明方法によって製造されたＮｔ）＋Ｓｎ超電導
線の臨界電流特性を比較して示す線図である。 Ｔ・・・・・超電導素線、 【・・・・・・芯体、　　　　　２・・・・・・Ｎｂパ
イプ、３・・・・・・Ｎ　ｌ）芯材、　　　５・・・・
・・１次複合線、７・・・・・・２次複合線、　８・・
・・・・銅管、９・・・・・・バリア管、　　　１０・
・・・・・管体、１１・・・・・・痕合管、　　　１２
・・・・・・基地。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. Ｓｎを含有した基地の内部にＮｂ芯材を配して構成され
   た超電導素線に拡散熱処理を施して製造するＮｂ＿３Ｓ
   ｎ超電導線の製造方法において、Ｎｂ＿３Ｓｎの高磁界
   域における臨界電流値を向上させるＴｉ、Ｔａ、Ｉｎ、
   Ｈｆ、Ａｌ、Ｚｒのいずれか１つ以上からなる芯体を前
   記Ｎｂ芯材の中心部に配するとともに、前記Ｎｂ芯材の
   中心部に配する芯体として、Ｎｂ芯材の直径の２割以上
   であって６割以下の値の直径を有する芯体を用いること
   を特徴とするＮｂ＿３Ｓｎ超電導線の製造方法。