JPS62229720A - Ｎｂ３ Ｓｎ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
れる高磁界特性の優れたＮｂ５Ｓｎ超電導線の製造方法
に関するものである。

「従来の技術」 Ｎｂ５ＳｎにＴｉ等の第３元素を添加することによって
Ｎ　ｂａ　Ｓ　ｎ超電導線の高磁界特性、特に、ｌ０Ｔ
（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Ｎｂ５Ｓｎ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。

１）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Ｎｂ３Ｓｎ超電導線を製造する方法。

２）ブロンズ基地（Ｃｕ−Ｓｎ合、全基地）の内部にＴ
ｉ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元合金糸
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Ｎｂ３
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、　
Ｈｆ、　ＡＩ、　　Ｉ　ｎ、　Ｇａ、　Ｚｒ、　Ｓｉ等
を用いることもある。

「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た。

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を微量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る問題があ
る。また、この場合、ブロンズ基地がＣｕ　−Ｓ　ｎ　
−Ｔ　ｉ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。

そこで本発明者らは、先に、特開昭６０−１０！８１４
号公報に示す明細書において、これらの問題を解消する
超電導線の製造方法を提案している。

前記公報において提案した製造方法は、Ｎｂ芯材の表面
に、Ｎｂ５Ｓｎの高磁界域における臨界電流値を向上さ
せるＴｉ等の第３元素のメッキ層を形成してＮｂ基基材
材形成し、このＮｂ基基材材ブロンズ等からなる基地内
に配して複合素線を形成し、この複合素線に必要に応じ
て縮径加工を施した後に拡散熱処理を施して超電導線を
製造する方法である。この製造方法によれば、メッキ層
を設けてＮｂを芯材と基地を合金化しないことによって
、Ｎｂ芯材と基地の加工性を確保し、縮径工程における
加工性を向上させて断線等のトラブルを生じる問題を解
消し、更に、特殊な溶解法を採用する必要性も無くして
高特性の超電導線を従来より容易に製造できろようにし
た方法である。

ところが、前述の方法を用いて超電導線を製造する場合
、拡散熱処理段階で以下に説明する如き改良すべき点を
生じることが判明した。

即ち、前記複合索線に拡散熱処理を施すと、基地内のＳ
ｎはメッキ層を通過してＮｂ芯材の内部側に拡散してＮ
ｂおよびＴｉと反応することにより、Ｎｂ５Ｓｎ−Ｔｉ
を生成するのであるが、この際Ｓｎがメッキ層を通過す
るまではＮｂ、５ｎ−Ｔｉの生成は期待できないために
Ｎｂ５Ｓｎ−Ｔｉ生成時の熱処理条件が高温側でかつ長
時間側に移行することになり、Ｎｂ３Ｓｎの結晶粒が粗
大化して超電導特性の劣化を生じる虞を生じるのである
。

本発明は、前記問題に鑑みてなされたもので、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る
ことがなく良好な加工性を発揮できるとともに、Ｎｂ芯
芯内内部Ｔｉを配する位置を自由に選定することができ
る一方、臨界電流密度が高く、良好な超電導特性を発揮
させうる上に、拡散熱処理条件の高温長時間側への移行
を阻止して熱処理条件を有利にできる超電導線の製造方
法の提供を目的とする。

酢問題点を解決するための手段」 本発明の製造方法は、Ｎｂ３Ｓｎの高磁界域における臨
界電流値を向上させるＴｉ、　Ｔａ、　　Ｉ　ｎ、　Ｈ
ｒ。

ＡＩ、Ｚｒ１Ｓｉのいずれか１つ以上からなる複数の芯
体をＮｂ管の周壁の内部に、互いに離間さ仕て複合して
複合管を形成し、前記複合管の内側にＳｎを含有する棒
体を挿入するとともに複合管の外側を基地で覆い、後に
拡散熱処理を施してＮｂ管の内周側にＮｂ３Ｓｎを生成
させて超電導線を製造するものである。

「作用」 Ｎｂ管の肉厚を選定することによってＴｉの位置を希望
の位置に設定することができるために、Ｎｂ３Ｓｎに対
するＴｉの効果を容易に制御することができる。

更に、Ｎｂ管の周壁の内部に、相互に離間して芯体を配
し、Ｎｂ３Ｓｎｂ成のための拡散熱処理時に芯体相互の
間を通過させてＳｎを拡散することができるために、Ｎ
ｂ管へのＳｎの拡散を速くして拡散熱処理条件の高温長
時間側への移行を阻止することによりＮｂ３Ｓｎ結晶粒
の粗大化を抑制し、優れた超電導特性を発揮させうると
ともに、熱処理前に、芯体とＮｂ管、および芯体と基地
を合金化しないようにしてＮｂ管と基地の加工性を維持
することにより加工性を向上させ、断線等のトラブルを
解消する。

「実施例」 第１図（Ａ）〜（Ｅ）は、本発明の一実施例を示すもの
で、第１図（Ａ）〜（Ｅ）に示すように示す加工を施す
ことにより超電導素線Ｔを製造するとともに、この超電
導素線Ｔに拡散熱処理を施すことにより超電導線を製造
する。

第１図（Ｅ）に示す超電導素線Ｔを製造するには、まず
、第１図（Ａ）に示すようなＮｂ管１を用意する。この
Ｎｂ管１はその内周面に近い周壁部分に、相互にＮｂ管
ｌの周方向に所定間隔離間し、かつ、Ｎｂ管Ｉの長さ方
向に沿う透孔２を複数形成してなるもので、各透孔２に
は、Ｎｂ３Ｓｎの高磁界域における超電導特性を向上さ
せる第３元素であるＴｉからなる線状の芯体３が挿入さ
れて複合管Ｆが形成されている。なお、前記芯体３には
複合前に電解研摩加工を施すことが望ましい。この理由
は、芯体３の表面を洗浄して不純物を除去し、後に施す
縮径加工時の強加工によって芯体が破断しないようにす
るためである。

ところで、前記芯体３を構成する材料は、Ｎｂ５Ｓｎの
高磁界域における臨界電流値を向上させるＴａ、　ｌ−
１ｆ、　ＡＩ、　　Ｉ　ｎ、　Ｇａ％Ｚｒ、　Ｓｉ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
料を用いることもできる。なお、芯体３は条体であって
も差し支えない。

次に、第１図（Ｂ）に示すように複合管Ｆの周囲にこれ
を囲ませて銅管５を配するとともにＮｂ管管内内純Ｓｎ
あるいは高Ｓｎ濃度の５ｎ−Ｃｕ合金からなる棒体６を
挿入し、更に、縮径加工を施して第１図（Ｃ）に示す複
合線７を作製する。

この際、Ｎｂ管ｌの肉厚、または、透孔２の形成位置を
選ぶことによりＮｂ管ｌの外周面からＴｉまでの距離を
自由に選ぶことができる。

次いで、前記複合線７を多数本集合して第１図（Ｄ）に
示すようにＣｕ製の中空パイプ８に挿入し、最終的に得
るべき超電導線と同じ直径になるまで縮径加工を施して
第１図（Ｅ）に示すようにＣｕからなる基地９に複合線
７が埋め込まれた超電導素線Ｔを得る。

なお、前述の縮径加工において、Ｔｉからなる芯体３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３ＳｎとＴ
ｉあるいはＮｂとＴｉを合金化していた従来の超電導素
線の製造方法に比較して中間焼鈍条件も有利になって縮
径加工中の断線等のトラブルもなくなり、加工性が向上
する効果がある。

ところで複合線の集合工程は複数回行っても良い。

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〜！５０時間程度加
熱する熱処理）を施し、棒体６のＳｎとＮｂ管ｌのＮｂ
を反応させ、Ｔｉを拡散させてＮｂ管ｌの内周側にＮ　
ｂｓｓ　ｎ　　Ｔ　ｉ層Ｎを第２図に示す如く生成させ
、Ｎｂ５Ｓｎ超電導線を製造する。

ただし、この拡散熱処理においては、生成されるＮ　ｂ
ｓ　Ｓ　ｎ　−Ｔ　を層ＮがＮｂ管ｌの外面に到達しな
いように熱処理条件を選択する必要がある。これは、も
し拡散中のＳｎｈ＜Ｎｂ管ｌを通過して基地９の内部に
到達するようであると、基地９がＳｎによって汚染され
て安定化銅としての役目を果たさなくなるためである。

ここで、前記拡散熱処理において、基地９の内部のＳｎ
は、Ｎｂ管管内内芯体３．３の間のＮｂ部分を通過して
Ｎｂ管ｌの内部側に拡散できる。従ってＮｂとＳｎの間
にメッキ層を形成していた従来構造の超電導素線に比較
してＳｎがより速＜Ｎｂ管ｌの内部側に拡散できるため
に、拡散熱処理条件の高温長時間側への移行を抑制する
ことができＮｂ３Ｓｎ結晶粒の粗大化を防止できる効果
がある。

ところで拡散熱処理の進行とともにＮｂ３Ｓｎ−Ｔｉ層
が増大するが、このようにＮｂ５Ｓｎ−Ｔｉ層ＮがＮｂ
管ｌの内周部側から生成すると、Ｎｂ管１の内周部側に
Ｔｉからなる芯体１１が配されているために、ＮｂとＳ
ｎが反応してＮｂ５Ｓｎが生成される過程てＴｉも拡散
して効率良＜Ｎｂ３Ｓｎ　　Ｔｉ層Ｎを生成でさる。ま
た、Ｎｂ管ｌの内部に挿入する棒体６として５ｎｉ５度
の高いブロンズからなるもの、あるいは３Ｓｎからなる
ものを採用することができるために、拡散熱処理時にＳ
ｎを十分に供給してＮｂ３Ｓｎを効率良く生成し、高い
臨界電流値を示す超電導線を製造することができる。

更に、前記超電導線Ｔにあっては、従来知られている銅
基地の内側のブロンズ基地の内部にＮｂ芯材を配してな
り、このＮｂ芯材の外周部にＮｂ３Ｓｎを生成させて製
造される超電導線に比較すると、Ｎｂ芯材に対してＮｂ
管ｌを用いる関係から、Ｎｂ３Ｓｎ部分の断面積を大き
くできるとともに、Ｎｂ管ｌの周囲を銅管５と中空バイ
ブ８とが囲んでいるために安定化銅となる部分が多くな
るために、高い臨界電流密度を発揮する超電導線を製造
することができる。

なお、所定の拡散熱処理条件においてＮｂ５Ｓｎ−Ｔｉ
の生成量を調節する場合には、Ｎｂ管に挿通する芯体３
の直径を所要の値に設定して調整できる。

ところで前記実施例においては、Ｎｂ棒にＴｉを配する
方法として、Ｎｂ管に希望する数の透孔２を穿設し、こ
れら透孔２にＴｉ線を挿入する方法を採用したが１．こ
の方法においては、以下に説明する問題を有している。

ｌ）ドリルの長さによって穿孔長が規制されるために、
長さ数１０ｃ＋ｎ程度のＮｂ管に穿孔する作業が限界で
あり、このため長尺の超電導線の製造に難点がある。

２）Ｎｂ管の内周部に穿孔する場合、ドリルがＮｂ管の
内周面を突き破る虞があるために、Ｎｂ管の内周面近く
に穿孔できない問題がある。従って、Ｎｂ管の内周面近
くにＴｉ線を配したい場合に、内周面からの距離に制限
を生じる問題がある。

そこでこれらの点における問題を解消するためには、第
３図に示す構造を採用する。

第３図は、本発明方法を実施してＮｂ３Ｓｎ超電導線を
作製する場合に使用する複合線の他の例を示すものであ
る。この複合線１０は、Ｎｂｖｔｔの内周面に複数の収
納溝を形成し、各収納溝に芯体１２を挿入し、このＮｂ
管１１の内周側にＮｂパイプ１３と、純Ｓｎあるいは５
ｎ−Ｃｕ合金からなる棒体１４を挿入し、更に、Ｎｂ管
ｌ！の外方に鋼管１５を被せて構成されたものであり、
この複合線１０を縮径した後に第１図（Ｃ）〜（Ｅ）に
示す加工を施し、拡散熱処理を施して超電導素線を製造
することができる。

第３図に示す構造を採用するならば、前記穿孔時の問題
を生じないために、長尺の超電導線を自由に製造できろ
効果があり、収納溝の深さを調節することによってＮｂ
管１１の内周面から所望の位置に芯体１２を配置できる
。

「製造例！」 外径１２０　ｍｍ、肉厚１０ｍｍであって第１図（Ａ）
に示す如きＮｂ管を用意する。このＮｂ管にはその内周
面から１ｍｓ＋のところに、円周方向に互いに離間して
８つの透孔が形成され、これらの透孔には直径１．０ｍ
＋＋＋のＴｉ線が挿入されている。

次に、前記Ｎｂ管を直径１５０　ｍｍ、肉厚１０ｍｍの
無酸素鋼管に挿入し、更にＮｂ管の内部に、直径９０ｍ
ｍであって、５ｎ９０％を含有する５ｎ−Ｃｕ合金棒を
挿入して複合した。そして静水圧押出および伸線加工を
繰り返し施して縮径加工を施し、直？Ｍ５．０ＩＩｌ＋
ａの複合線を作製した。

次に、前記複合線を９１本集合し、外径７５ｍｍ、肉厚
９ｍｍの無酸素鋼管に挿入して縮径加工を繰り返し施し
、直径１．０ｍｍの多心超電導素線を製造した。この多
心超電導素線の断面構造を観察したところＮｂ管の外径
は７０μｍ１肉厚は１５μｍとなっており、その内面に
近い部分に０．５〜１．０μｍの直径のＴｉ棒を８本観
測できた。

そして更に、前記多心超電導素線を７００℃に５０時間
加熱する拡散熱処理を施し、Ｎｂ管のＮｂと、５ｎ−Ｃ
ｕ合金棒のＳｎを反応させ、Ｔｉを拡散させてＮｂ管の
内周側にＮｂｔＳｎ　　Ｔｔ層を生成させ、多心超電導
素線を多心超電導線とした。この多心超電導線を観察し
たところ、Ｎｂ管の肉厚の約１／２までＮｂ３Ｓｎ層の
生成が見られた。また、この状態でＴｉの芯体は消失し
ており、電子プローブマイクロアナライザー（ＥＰＭＡ
）によりＴｉの存在を確認したところ、Ｎｂ５Ｓｎ層内
にＴｉを確認できた。

このＮｔ）３Ｓｎ超電導線の臨界電流密度を測定したと
ころ、第４図に示す結果が得られた。

第４図において、鎖線Ａが重連の如く製造されたＴｉを
含有するＮｂ３Ｓｎ超電導線の特性を示し、実線Ｂが従
来のＮｂ５Ｓｎ線の特性を示している。

第４図より明らかなように本発明方法を採用して製造さ
れた超電導線は特に高磁界域において従来の超電導線よ
り優れた臨界電流値を示し優秀な超電導特性を発揮する
ことが明らかになった。

「発明の効果」 以上説明したように本発明の製造方法によれば以下に説
明する効果を奏する。

（１）拡散熱処理前にＮｂとＳｎを合金化しないために
３Ｓｎを含有する棒体と、Ｎｂ管と、基地が本来有する
加工性を維持することができる。このため断線等のトラ
ブルを生じることなく縮径加工を施すことができ、極細
多心超電導線を効率良く製造できる効果がある。

（■）Ｎｂ＊Ｓｎの高磁界域における臨界電流値を向上
させる第３元素からなる芯体をＮｂ管の周壁内部に互い
に離間して配し、拡散熱処理によって芯体の間を介して
Ｎｂ管の内側からＳｎを拡散させることができろために
、ＮｂとＳｎの間に第３元素のメッキ層を介在させてい
た従来の超電導線に比較してＳｎの拡散をより速くする
ことができる。このため拡散熱処理条件の高温超時間側
への移行を阻止することができ、Ｎｂ３Ｓｎ結品粒の粗
大化を阻止できる効果がある。

（ＩＩＩ）基地内のＮｂ管の内周側に芯体を配置し、Ｎ
ｂ管の内側にＳｎを含有する棒体を配し、拡散熱処理を
施すものであり、Ｎｂ管の内周側にＮｂ３Ｓｎを生成さ
せるために、基地をＳｎで汚染させることなくＮｂ３Ｓ
ｒ＋超電導線を製造できる効果がある。

【図面の簡単な説明】 第１図（Ａ）〜（Ｅ）は本発明方法の一例を示すもので
、第１図（Ａ）はＮｂ管の横断面図、第１図（Ｂ）はＮ
ｂ管と棒体と鋼管の複合状態を示す横断面図、第１図（
Ｃ）は複合線の横断面図、第１図（Ｄ）は複合線の集合
状態を示す横断面図、第１図（Ｅ）は超電導素線の横断
面図、第２図は超電導線におけろＮｂ＊Ｓｎ　　Ｔｉ層
の生成状態を示す横断面図、第３図は複合線の他の例を
示す横断面図、第４図は製造例において製造された超電
導線の臨界電流特性と従来の超電導線の臨界電流特性を
比較して示した線図である。 Ｔ・・・・・・超電導素線、　Ｎ・・・・・・Ｎｂ、ｓ
ｎ層、■・・・・・・Ｎｂ管、　　　　２・・・・・・
透孔、３・・・・・・芯体、　　　　　５・・・・・・
銅管、６・・・・・・棒体、　　　　　７・・・・・・
複合線、８・・・・・・中空パイプ、　　９・・・・・
・基地。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）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、Ｓｉの
   いずれか１つ以上からなる複数の芯体をＮｂ管の周壁の
   内部に、互いに離間させて複合して複合管を形成し、前
   記複合管の内側にＳｎを含有する棒体を挿入するととも
   に複合管の外側を基地で覆い、後に拡散熱処理を施して
   Ｎｂ管の内周側にＮｂ＿３Ｓｎを生成させることを特徴
   とするＮｂ＿３Ｓｎ超電導線の製造方法。
2. （２）Ｎｂ管の周壁の内部に複合する芯体に、複合以前
   に電解研摩加工を施すことを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載のＮｂ＿３Ｓｎ超電導線の製造方法。