KR100724212B1 - Nb-Sn상 초전도 와이어의 전구 와이어 - Google Patents

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미쓰비시덴키 가부시키가이샤
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Abstract

Nb-Sn상 초전도 와이어용 전구 와이어는 Cu계 금속 매트릭스에 Sn계 금속 코어 및 상기 코어 주변에 동심원형으로 배치된 Nb계 금속 필라멘트를 배열함으로써 구성된 복수개의 모듈을 갖는 구조를 포함하되, 상기 전구 와이어는 열처리함으로써 Sn계 금속 코아의 Sn과 Cu계 금속 매트릭스가 반응하여 생성할 수 있는 ε상 청동층의 경계를, Nb계 금속 필라멘트의 존재 영역의 전부를 포함하거나 약 0.08 이상 약 0.32 이하의 비율을 포함하는 범위가 되도록 모듈내 Sn계 금속 코어의 양을 조정함으로써 수득된다.

Description

Nb-Sn상 초전도 와이어의 전구 와이어{PRECURSOR WIRE OF Nb-Sn PHASE SUPERCONDUCTING WIRE}
도 1은 본 발명의 실시형태 1에 의한 Nb-Sn상 초전도 와이어의 전구 와이어의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시형태 1에 의한 복합 빌렛(billet)의 단면도를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실시형태 1에 의한 Nb-Sn상 초전도 와이어의 전구 와이어를 열처리하여 Nb3Sn 초전도 와이어로 했을 때, ε상 청동층의 경계 영역의 비율에 대한 액체 헬륨중 12T의 자장속에서 측정한 Jc 특성과, 액체 헬륨중 ±3T의 변동자장속에서 측정한 Qh 특성을 설명하기 위한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시형태 2에 의한 복합 빌렛의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시형태 2에 의한 Nb-Sn상 초전도 와이어의 전구 와이어를 열처리하여 Nb3Sn 초전도 와이어로 했을 때, ε상 청동층의 경계 영역의 비율에 대한 액체 헬륨중 12T의 자장속에서 측정한 Jc 특성과, 액체 헬륨중 ±3T의 변동자장속에서 측정한 Qh 특성을 설명하기 위한 그래프이다.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1: 모듈
2: 무산소 구리의 원주
3: Nb계 금속 막대
4: 복합 빌렛
5: Sn계 금속 코어
6: Nb계 금속 필라멘트
7: Sn 확산 배리어
8: 안정화 구리
9: Nb-Sn상 초전도 와이어의 전구 와이어
본 발명은, 높은 임계 전류 밀도(Jc) 특성을 가지면서 히스테리시스 손실(Qh) 특성의 증대를 억제하는, 열처리에 의해 Nb3Sn 초전도 와이어로 되는 Nb-Sn상 초전도 와이어의 전구 와이어에 관한 것이다.
핵 융합용 대형 초전도 코일의 실현을 위해 높은 임계 전류 밀도(Jc) 특성과 낮은 히스테리시스 손실(Qh) 특성을 갖는 초전도 와이어의 개발이 필요 불가결하며, 특히 환상체 자장용 코일에는 Nb3Sn계 초전도 와이어가 사용된다. 초전도 와이어는 그 안정화를 위해, Cu 등의 저항율의 작은 금속 매트릭스중에 수십㎛ 이하 직경의 초전도 필라멘트가 다수 매설된 구조가 필요하기 때문에, 극세 다심선(ultra-fine multifilamentary wire)으로 지칭된다. Nb3Sn 초전도 와이어의 전구 와이어는, Cu계 금속 매트릭스중에 Sn계 금속 코어와 Nb계 금속 필라멘트가 다수매설된 구조를 하고 있어, 드로잉 가공 후 와이어를 열처리함으로써, 와이어중의 Sn계 금속 코어가 Cu계 금속 매트릭스중에 확산되고, 추가로 Nb계 금속 필라멘트중에 확산됨으로써, Nb계 금속 필라멘트의 주위 또는 전체에 Nb3Sn이 생성되어, Nb3Sn 초전도 와이어가 된다.
종래의 Nb3Sn 초전도 와이어의 전구 와이어에서, 상기의 열처리 공정중 Sn계 금속코어가 주위의 Cu계 금속 매트릭스중에 확산하여 ε상 청동층(Cu3Sn)을 형성하지만, ε상 청동층의 경계(바깥 테두리)영역에서 Nb3Sn 필라멘트가 접촉하여, Qh가 증대한다고 하는 문제점이 있었다.
이 문제점의 개량으로서, ε상 청동층의 경계 영역에서, Nb3Sn 필라멘트의 간격이 다른 부분의 Nb3Sn 필라멘트의 간격보다도 크게 되도록 전구 와이어에 Nb계 금속 필라멘트를 배치하는 것으로, Qh의 증대를 억제하는 것이 개시되어 있다. (예를 들면, 일본 특허 제 3012436 호 공보(제 3 페이지, 도 2 참조)).
초전도 와이어에서의 Qh 특성의 증대 원인은, 열처리에 의해서 발생하는 Nb3Sn 필라멘트의 상호 접촉이며, Nb3Sn 필라멘트의 상호 접촉은 전구 와이어의 중앙부에 배치되는 Sn계 금속 코어와 Cu계 금속 매트릭스가 열처리에 의해서 합금화하여, ε상 청동층을 생성하는 영역의 경계근방에서 생기는 것으로 알려져 있다. 일본 특허 제 3012436 호(제 3 면 도 2 참조)에 나타낸 종래의 Nb3Sn 초전도 와이어의 전구 와이어는, 초전도 와이어로 했을 때에 열처리에 의해서 생성되어 Qh 특성의 증대 원인이 되는 Nb3Sn 필라멘트의 상호 접촉을 막기 때문에, ε상 청동층을 생성하는 영역의 경계근방의 Cu계 금속 매트릭스중에 매설되는 Nb계 금속 필라멘트의 간격을 넓게 유지해야 했다. 보다 구체적으로는, ε상 청동층의 경계는 중심에서 제 3 층과 제 4 층의 Nb계 금속 필라멘트의 사이에 형성되기 때문에, 제 3 층 내지 제 5 층의 Nb계 금속 필라멘트의 직경을 상기한 바와 같이 약간 가늘게 하여 드로잉 가공후의 필라멘트 간격을 약간 넓혔다. 그 결과, Cu계 금속 매트릭스중에 매설되는 Nb계 금속필라멘트의 양이 제한되어, 전구 와이어를 열처리하여 수득한 초전도 와이어의 Jc는 온도 4.2 K, 자장 12T에서 800A/mm2 정도에 머물고, 보다 높은 Jc 특성을 갖는 와이어를 얻는 것이 불가능하다는 문제점이 있었다.
본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 열처리 를 실시함에 의해, 높은 Jc 특성을 갖고, Qh 특성의 증대가 억제된 Nb3Sn 초전도 와이어로 되는 Nb-Sn상 초전도 와이어의 전구 와이어를 얻는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 Nb-Sn상 초전도 와이어의 전구 와이어는 가열하여 초전도 와이어를 형성하고, 종방향으로 연장한다. 전구 와이어는 코어 부분 및 상기 코어 부분을 둘러싸는 쉘 부분을 포함하는 단면을 갖는 복수개의 모듈을 포함한다. 각각의 상기 모듈은 단지 Sn계 금속으로 이루어진 코어 부분, 및 Cu계 금속으로 이루어진 매트릭스와 상기 Cu계 금속에 매설된 Nb계 금속 필라멘트를 포함하는 쉘 부분으로 구성되며, 여기서 상기 Nb계 금속 필라멘트는 상기 코어 부분 주위에 동심원상으로 등간격으로 배치되고, 또한 추가로 그의 원주 주위에 외주를 향해 순차적으로 배치되고, 여기서 각각의 모듈에서 상기 열처리에 의해서 상기 Sn계 금속 코어와 상기 Cu계 금속 매트릭스가 반응함에 의해 상기 모듈중에 생성되는 ε상 청동층의 경계의 범위가 모듈내 상기 Nb계 금속 필라멘트를 전부 포함하는 범위가 되도록 상기 Sn계 금속 코어의 양이 조정된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 모듈중의 상기 Nb계 금속 필라멘트가 차지하는 부피 비율이 약 0.28 이상 약 0.34 이하이며, 상기 모듈중의 상기 Cu계 금속 매트릭스에 대한 상기 ε상 청동층의 부피 비율이 약 0.6 이상 약 0.8 이하이며, 상기 Nb계 금속 필라멘트의 직경이 약 1㎛ 이상 약 5㎛ 이하이며, 상기 Nb계 금속 필라멘트들간의 간격이 약 0.7㎛ 이상 약 1.5㎛ 이하인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 별도의 전구 와이어는 상기 열처리에 의해서 상기 Sn계 금속 코어와 상기 Cu계 금속 매트릭스의 반응에 의해 상기 모듈중에 생성하는 ε상 청동층의 경계가, 상기 Nb계 금속 필라멘트의 존재 영역의 약 0.05 이상 약 0.35 이하의 비율로 포함하는 범위가 되도록 Sn계 금속 코어의 양이 조정된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 모듈중의 상기 Nb계 금속 필라멘트가 차지하는 부피 비율이 약 0.23 이상 약 0.27 이하이며, 상기 모듈중의 상기 Cu계 금속 매트릭스에 대한 상기 ε상 청동층의 부피 비율이 약 0.4 이상 약 0.55 이하이며, 상기 Nb계 금속 필라멘트의 직경이 약 1㎛ 이상 약 5㎛ 이하이며, 상기 Nb계 금속 필라멘트들간의 간격이 약 0.7㎛ 이상 약 1.5㎛ 이하인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, Cu계 금속 매트릭스중에 Nb계 금속 필라멘트와 Sn계 금속 코어를 매설한 모듈을 복수개 구비하고, 상기 모듈의 중심부에 상기 Sn계 금속 코어를 배치하고, 그 코어 주위에 동심원상으로 상기 Nb계 금속 필라멘트를 등간격으로 분리하여 배치하고, 더욱 그 주위에 상기 Nb계 금속 필라멘트를 동심원상으로 순차적으로 외주로 향하도록 배치한 구조를 갖고, 열처리에 의해서 상기 Sn계 금속 코어와 상기 Cu계 금속 매트릭스가 반응하여 상기 모듈중에 생성되는 ε상 청동층의 경계가, 상기 Nb계 금속 필라멘트를 전부 포함하는 범위가 되도록 상기 Sn계 금속 코어의 양이 조정되었기 때문에, 상기 ε상 청동층 영역의 경계가 상기 Nb계 금속 필라멘트의 존재영역의 외측이 되어, Qh 특성의 증대원인인 Nb3Sn 필라멘트의 상호 접촉을 막을 수 있어, Qh 특성의 증대를 억제한 Nb-Sn상 초전도 와이어의 전구 와이어를 얻을 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면, 같은 이유에서, Qh 특성의 증대를 억제하기 위해서 상기 Nb계 금속 필라멘트의 간격을 넓게 취할 필요가 없어진다는 점, 즉, 상기 Nb계 금속 필라멘트의 양이 제한되는 일이 없게 되어, 전구 와이어를 열처리한 초전도 와이어에 있어서 Nb3Sn 필라멘트의 양이 확보되게 되어, 높은 Jc 특성을 갖는 Nb-Sn상 초전도 와이어의 전구 와이어를 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 전술한 전구 와이어에 있어서, 상기 모듈중의 상기 Nb계 금속 필라멘트가 차지하는 부피 비율을 약 0.28 이상 약 0.34 이하로 하고, 상기 모듈중의 상기 Cu계 금속 매트릭스에 대한 상기 ε상 청동층이 점유하는 비율을 0.6 이상 0.8 이하로 하고, 상기 Nb계 금속 필라멘트의 직경을 약 1㎛ 이상 약 5㎛ 이하로 하고, 상기 Nb계 금속 필라멘트들간의 간격을 약 0.7㎛ 이상 약 1.5㎛ 이하로 하는 것에 의해, 상기 ε상 청동층의 경계가 상기 Nb3Sn 필라멘트의 존재 영역의 외측이 되어, Nb계 금속 필라멘트끼리의 결합이 없고, Nb3Sn 필라멘트가 되는 Nb의 양이 높은 비율로 확보되기 때문에, 높은 Jc 특성과 낮은 Qh 특성을 갖는 Nb-Sn상 초전도 와이어의 전구 와이어를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 발명에 따르면, 상기 열처리에 의해서 상기 Sn계 금속 코어와 상기 Cu계 금속 매트릭스가 반응하여 상기 모듈중에 생성되는 상기 ε상 청 동층의 경계가, 상기 Nb계 금속 필라멘트의 존재영역을 약 0.05 이상 약 0.35 이하의 비율로 포함하는 범위가 되도록 상기 Sn계 금속 코어의 양이 조정되기 때문에, 전구 와이어를 열처리한 초전도 와이어에 있어서, Nb3Sn 필라멘트의 상호 접촉영역을 적게 제한할 수 있어, Qh 특성의 증대를 억제한 Nb-Sn상 초전도 와이어의 전구 와이어를 얻을 수 있다. 또한, 같은 이유에서, Qh 특성의 증대를 억제하기 위해서 상기 Nb계 금속 필라멘트의 간격을 넓게 취할 필요가 없어진다는 점, 즉, 상기 Nb계 금속 필라멘트의 양이 제한되는 일이 없게 되어, 전구 와이어를 열처리한 초전도 와이어에 있어서 Nb3Sn 필라멘트의 양이 확보되게 되어, 높은 Jc 특성을 갖는 Nb-Sn상 초전도 와이어의 전구 와이어를 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 전술한 전구체에 있어서, 상기 모듈중의 상기 Nb계 금속 필라멘트가 차지하는 부피 비율을 약 0.23 이상 약 0.27 이하로 하고, 상기 모듈중의 상기 Cu계 금속 매트릭스에 대한 상기 ε상 청동층이 차지하는 부피 비율을 약 0.4이상 0.55 이하로 하고, 상기 Nb계 금속 필라멘트의 직경을 약 1㎛ 이상 약 5㎛ 이하로 하고, 상기 Nb계 금속 필라멘트 끼리의 간격을 약 0.7㎛ 이상 약 1.5㎛ 이하로 하는 것에 의해, 상기 ε상 청동층의 경계가 상기 Nb계 금속 필라멘트의 존재 영역중 0.05 내지 0.35의 비율을 포함하게 되어, Nb3Sn 필라멘트끼리의 결합이 최소한으로 억제되고, 또한 Nb3Sn 필라멘트가 되는 Nb의 양이 높은 비율로 확보되기 때문에, 높은 Jc 특성과 낮은 Qh 특성을 갖는 Nb-Sn상 초전도 와이어의 전구 와이어를 얻을 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면과 함께 하기의 바람직한 실시형태에 대한 설명으로부터 보다 용이하게 이해될 것이며, 첨부 도면에서 유사한 부분은 유사한 부호로 표시하였다.
실시형태 1
도 1은 실시형태 1에 의한 Nb-Sn상 초전도 와이어의 전구 와이어의 단면도를 나타내고, 도 2는 실시형태 1에 의한 상기 전구 와이어의 모듈(1)를 제조하기 위한 복합 빌렛(billet)의 단면도를 나타낸 것이다.
실시형태 1의 복합 빌렛(4)의 제조에 있어서는, 우선 직경 140mm의 무산소 구리의 원주(2)에, 원주의 중심에서 반경 35mm에서 51mm에 걸쳐서, 동심원 형상으로 3열의 구멍을 총 106개 천공한다. 천공한 구멍에는 직경 6mm의 Nb계 금속 막대(3)를 충전하여 복합 빌렛(4)을 수득하였다. 상기 Nb계 금속 막대는 최종적으로 얻어지는 Nb-Sn상 초전도 와이어의 전구 와이어에 있어서 Nb계 금속 필라멘트(6)가 된다. 수득된 복합 빌렛(4)를 50mm의 직경으로 압출 가공하여, 외주에서 불필요한 구리재를 절삭 가공한다.
더욱 중앙부의 구리 부분에 구멍을 내서, Sn계 금속 코어(5)가 되도록 Sn계 금속 막대를 삽입한다. 구리 외주는 매트릭스로 지칭될 수 있다. 그다음, Nb계 금속 필라멘트(6) 및 구리 매트릭스는 코어를 둘러싸는 쉘로서 지칭될 수 있다.
Sn계 금속 막대의 직경은 최종적으로 얻어지는 전구 와이어를 열처리했을 때에 생성되는 ε상 청동층의 경계 위치를 결정하지만, Cu계 금속 매트릭스중에 생성 되는 상기 ε청동층 영역의 부피 비율 x는 하기의 수학식 1로부터 구해진다.
Figure 112005047093439-pat00001
상기 실시형태 1에서는, Sn계 금속 막대의 직경을 각각, (가) 16.9mm, (나) 19.1mm, (다) 19.8mm, (라) 20.5mm, (마) 20.9mm, (바) 21.2mm, (사) 21.9mm, (아) 23.4mm으로 했다. 따라서, ε상 청동층의 Cu계 금속 매트릭스에 대한 비율은, 각각 (가) 0.34, (나) 0.47, (다) 0.51, (라) 0.58, (마) 0.62, (바) 0.67, (사) 0.71, (아) 0.80이 된다.
압출 공정후에, Sn계 금속 막대가 삽입된 복합 빌렛(4)는 인발 가공에 의해 입경이 감소되고, 추가로 대변 4mm의 육각막대로 가공함으로써, 모듈용 Cu/Nb/Sn 복합막대를 수득했다. 이 Cu/Nb/Sn 복합막대를 절단하고 37개의 막대를 묶어, 묶인 복합막대는 Sn 확산 배리어(7)가 되는 Ta 튜브로 두르고, 추가로 상기 Ta 튜브(7)의 외측을 안정화 구리(8)가 되는 두께 7.5mm의 무산소 구리 튜브로 둘러쌌다. Ta 튜브와 무산소 구리 튜브로 조합된 Cu/Nb/Sn 복합막대는 0.5mm의 직경까지 인발 가공을 하여 Nb-Sn상 초전도 와이어의 전구 와이어(9)를 수득했다.
수득된 전구 와이어로부터 측정용 샘플을 절출하여, 불활성 가스 분위기 및 650℃중에서 10일간 열처리하여 Nb3Sn 초전도 와이어를 수득했다. 수득된 초전도 와이어의 임계 전류 밀도는 액체헬륨중 및 또한 12T의 자장속에서 측정하고, 또한 히스테리시스 손실은 액체헬륨중에서 ±3T의 변동 자장속에서 측정하였다. 도 3은 Jc 및 Qh 물성에 대해 상기 Sn계 금속 막대의 크기 의존성을 나타낸다. 도 3에 나타내는 바와 같은 값이 되었다. 여기서, ε상 청동층 영역의 비율 x가 0.6 이상이면, ε상 청동층의 경계영역이 Nb계 금속 필라멘트(6)의 존재하는 영역보다도 외측이 된다. 바꾸어 말하면, Cu계 금속 매트릭스중에 Nb계 금속 필라멘트(6)와 Sn계 금속 코어(5)가 매설된 모듈(1)에 있어서, Nb계 금속 필라멘트(6)가 ε상 청동층 영역에만 존재하게 된다. 도 3으로부터 분명한 대로, ε상 청동층 영역의 비율 x가 약 0.6 이상 약 0.8 이하, 바람직하게는, 약 0.62 이상 약 0.78 이하라고 하면, 높은 Jc 특성과 낮은 Qh 특성을 갖는 Nb-Sn상 초전도 와이어의 전구 와이어를 얻을 수 있다.
한편, ε상 청동층 영역의 비율 x가 0.6보다 작은 경우, 즉, 전구 와이어를 300 내지 600℃에서 열처리하고 있을 때에 Cu계 금속 매트릭스중에 생성되는 ε상 청동층의 경계영역이 Nb계 금속 필라멘트(6)가 존재하는 영역내부에 들어가는 경우는, Qh 특성의 증대원인인 Nb3Sn 필라멘트의 상호 접촉이 생기기 때문에, 상기 실시형태 1과 같이 Qh 특성의 증대를 억제할 수 없다. 또한, ε상 청동층 영역의 비율 x가 0.3 정도, 즉, ε상 청동층의 경계영역이 Nb계 금속 필라멘트(6)가 존재하는 영역보다 안쪽이 되면, Qh 특성은 감소하지만, Sn계 금속 코어(5)가 차지하는 부피 비율이 낮게 되어 최종적으로 열처리에 의해서 생성되는 Nb3Sn의 양이 줄기 때문에 고 Jc 특성이 얻어지지 않는다. 반대로, ε상 청동층 영역의 비율 x가 0.8보다 큰 경우는, 복합 빌렛(4)에 있어서의 Sn계 금속 막대의 크기가 Nb계 금속 필라멘트(6)가 존재하는 영역에 겹치기 때문에 전구 와이어가 수득되지 않는다.
실시형태 1에 있어서 복합 빌렛(4)의 Nb계 금속 막대(3)의 직경을 6mm로 조정하고, 구멍의 수를 106개로 했지만, 최종적인 전구 와이어에서 Nb계 금속 필라멘트(6)의 직경은 3㎛이 되고, Nb계 금속 필라멘트(6)끼리의 간격은 0.9㎛이 되고, 모듈(1)내의 Nb계 금속 필라멘트(6)가 차지하는 부피 비율은 0.32가 된다. 상기 Nb계 금속 막대(3)의 크기나 개수에 관해서는, 요구되는 Jc 특성이나 Qh 특성에 의해서 그 설계의 범위내에서 변경하는 것이 가능하다. 핵 융합용 대형 초전도 코일에서 요구되는 고 Jc/저 Qh 특성의 초전도 와이어로서는, 모듈(1)내의 Nb계 금속 필라멘트(6)가 차지하는 부피 비율이 약 0.28 이상 약 0.34 이하, 바람직하게는, 약 0.30 이상 약 0.33 이하이며, Nb계 금속 필라멘트(6)의 직경이 약 1㎛ 이상 약 5㎛ 이하, 바람직하게는 약 2.0㎛ 이상 약 3.5㎛ 이하이며, Nb계 금속 필라멘트(6)끼리의 간격이 약 0.7㎛ 이상 약 1.5㎛ 이하, 바람직하게는 약 0.8㎛ 이상 약 1.2㎛ 이하인 것이 바람직하다.
모듈(1)내의 Nb계 금속 필라멘트(6)가 차지하는 부피 비율이 0.28보다 적은 경우는, 최종적으로 열처리에 의해서 Nb계 금속 필라멘트(6)와 Sn계 금속 코어(5)가 반응하는 것으로 생성되는 Nb3Sn의 양이 줄어, Jc 특성이 얻어지지 않는다. 추가로, 전구 와이어를 300 내지 600℃에서 열처리할 때에 매트릭스내에 생성되는 ε상 청동층의 경계영역이 Nb계 금속 필라멘트(6)가 존재하는 영역내로 들어와, Qh의 증대원인인 Nb3Sn 필라멘트의 상호 접촉이 생겨서, 상기 실시형태 1과 같이 Qh 특성의 증대를 억제할 수 없다. 반대로, 모듈(1)내의 Nb계 금속 필라멘트(6)가 차지하는 부피 비율이 0.34보다 큰 경우는, Nb계 금속 필라멘트(6)끼리의 간격을 충분히 확보할 수 없기 때문에, Qh의 증대원인인 Nb3Sn 필라멘트의 상호 접촉이 생겨, 상기 실시형태 1과 같이 Qh 특성의 증대를 억제할 수 없다.
또한, 모듈(1)내의 Nb계 금속 필라멘트(6)의 직경이 1㎛보다 가는 경우는, 필라멘트의 일부에 단선이 생길 가능성이 높아, 상기 실시형태 1과 같은 고 Jc 특성은 얻어지지 않는다. 반대로, 모듈(1)내의 Nb계 금속 필라멘트(6)의 직경이 5㎛보다 굵은 경우는, 최종적으로 열처리에 의해서 필라멘트 전체가 반응할 수 없고 생성되는 Nb3Sn의 양이 줄기 때문에, 상기 실시형태 1과 같은 고 Jc 특성은 얻어지지 않는다.
또한, 모듈(1)내의 Nb계 금속 필라멘트(6)끼리의 간격이 0.7㎛보다 좁은 경우는, Qh의 증대 원인인 Nb3Sn 필라멘트의 상호 접촉이 생기기 때문에, Qh 특성의 증대를 억제할 수 없다. 반대로, 모듈(1)내에서 금속 필라멘트(6)끼리의 간격이 1.5㎛보다 넓은 경우는, 열처리에 의해서 생성되는 Nb3Sn의 양이 줄어, 고 Jc 특성이 얻어지지 않는다.
실시형태 1에서는, Sn의 확산 배리어재로서 Ta 튜브를 이용했지만, 예컨대 Ta판을 관형상으로 가공한 것이라도 실시형태 1과 같은 효과를 실현할 수 있다. 또한, Sn의 확산 배리어재의 재질로서 Ta를 이용했지만, Nb계 금속 등, Sn의 확산을 막는 효과가 있는 금속이면, 실시형태 1과 같은 효과를 실현할 수 있다.
실시형태 2
도 4는 실시형태 2에 의한 전구 와이어의 모듈(1)를 제조하기 위한 복합 빌렛(4)의 단면도를 나타낸 것이다. 도 4에 있어서, 도 2와 동일의 부호를 붙인 것은, 동일 또는 이것에 상당하는 것이다.
실시형태 2의 복합 빌렛(4)의 제조에 있어서는, 우선 직경 140mm의 무산소 구리의 원주(2)에, 원주의 중심에서 반경 37mm에서 52mm에 걸쳐서, 동심원상으로 4열의 구멍을 총 224개 천공한다. 천공한 구멍에 각각 직경 3.7mm의 Nb계 금속 막대(3)를 충전하여 복합 빌렛(4)을 수득했다. 수득된 복합 빌렛(4)를 실시형태 1과 같이 50mm의 직경으로 압출 가공하여, 외주에서 불필요한 구리재를 제거한다. 추가로 중앙부의 구리의 부분에 구멍을 형성하고, Sn계 금속 코어(5)가 되는 Sn계 금속 막대를 삽입한다.
최종적으로 얻어지는 전구 와이어를 열처리했을 때에 생성되는 ε상 청동층의 경계 위치는 Sn계 금속 막대의 직경에 좌우되지만, Cu계 금속 매트릭스중에 생성되는 상기 ε상 청동층 영역의 부피 비율 x는 실시형태 1과 유사하게 결정할 수 있다. 실시형태 2에서는, Sn계 금속 막대의 직경을 각각, (가) 16.4mm, (나) 18.4mm, (다) 19.4mm, (라) 20.0mm, (마) 20.5mm, (바) 21.2mm, (사) 21.9mm, (아) 22.6mm로 했다. 이것에 의해 ε상 청동층의 Cu계 금속 매트릭스에 대한 비율은, 각각 (가) 0.28, (나) 0.37,(다) 0.42, (라) 0.47, (마) 0.51, (바) 0.52, (사) 0.56, (아) 0.60이 된다.
압출 공정후에, Sn계 금속 코어 막대가 삽입된 복합 빌렛(4)는, 실시형태 1과 같이 인발 가공에 의해 직경이 감소하고, 추가로 대변 5.4mm의 육각막대가 되도록 가공하여, 모듈용 Cu/Nb/Sn 복합막대를 수득했다. 이 Cu/Nb/Sn 복합막대를 절단하여 19개로 묶고, 묶인 복합막대는 실시형태 1과 같이 Sn 확산 배리어(7)가 되는 Ta 튜브로 두르고, 상기 Ta 튜브(7)의 외측을 안정화 구리(8)가 되는 두께 7.5mm의 무산소 구리 튜브로 둘러싼다. Ta 튜브와 무산소 구리 튜브로 조합된 Cu/Nb/Sn 복합 막대는 0.5mm의 직경까지 인발 가공을 하여 Nb-Sn상 초전도 와이어의 전구 와이어(9)를 수득했다.
수득된 전구 와이어로부터 측정용 샘플을 절출하고, 실시형태 1과 같이 불활성 가스 분위기 중, 650℃에서 10일간의 열처리를 하는 것으로 Nb3Sn 초전도 와이어를 수득했다. 수득된 초전도 와이어의 Jc는 액체헬륨중 12T의 자장속에서 측정하고, 또한 Qh는 액체헬륨중 ±3T의 변동 자장속에서 측정하였다. 도 5는 Jc 및 Qh 특성에 대한 상기 Sn계 금속 막대의 크기 의존성을 나타낸다. 여기서, ε상 청동층 영역의 비율 x가 0.4인 경우, ε상 청동층의 경계영역에 존재하는 Nb계 금속 필라멘트(6)의 비율이 0.08이 된다. 또한, ε상 청동층 영역의 비율 x가 0.55인 경우, ε상 청동층의 경계 영역내에 있는 Nb계 금속 필라멘트(6)의 존재비율이 0.32가 된다. 도 5에서 도시한 바와 같이, ε상 청동층 영역의 비율 x가 약 0.4 이상 약 0.55 이하, 바람직하게는, 약 0.45 이상 약 0.52 이하라고 하면, 낮은 Qh 특성을 갖고, 또한, Jc의 저감이 억제된 Nb-Sn상 초전도 와이어의 전구 와이어를 얻을 수 있다.
한편, ε상 청동층 영역의 비율 x가 0.4보다 작은 경우, 즉, 전구 와이어를 300 내지 600℃에서 열처리하고 있을 때에 Cu계 금속 매트릭스중에 생성되는 ε상 청동층의 경계영역이 Nb계 금속 필라멘트(6)가 존재하는 영역보다도 안쪽에 도입되는 경우는, Qh 특성은 작게 되지만, Sn계 금속 코어(5)이 차지하는 부피 비율이 지나치게 낮게 되어, 열처리에 의해서 생성하는 Nb3Sn의 양이 작고, 고 Jc 특성은 얻어지지 않는다. 또한, ε상 청동층 영역의 비율 x가 0.55보다 큰 경우는, Qh 특성의 증대원인인 Nb3Sn 필라멘트의 상호 접촉이 광범위하게 생겨, Qh 특성의 증대를 억제할 수 없다.
실시형태 2에 있어서의 복합 빌렛(4)의 Nb계 금속 막대(3)의 직경을 3.7mm로 하고, 구멍의 수를 224개로 했지만, 최종적인 전구 와이어에서 Nb계 금속 필라멘트(6)의 직경은 2.6㎛로 하고, Nb계 금속 필라멘트(6)끼리의 간격은 0.9㎛로 하고, 모듈내의 Nb계 금속 필라멘트(6)가 차지하는 부피 비율은 0.25가 된다. 상기 Nb계 금속 막대(3)의 크기나 개수에 있어서는, 요구되는 Jc 특성이나 Qh 특성에 의해서 그 설계의 범위내에서 변경하는 것이 가능하다. 핵 융합용 대형 초전도 코일에 요구되는 고 Jc/저 Qh 특성의 초전도 와이어로서는, 모듈(1)내의 Nb계 금속 필라멘트(6)가 차지하는 부피 비율이 약 0.23 이상 약 0.27 이하, 바람직하게는, 약 0.24 이상 약 0.26 이하이며, Nb계 금속 필라멘트(6)의 직경이 약 1㎛ 이상 약 5㎛이하, 바람직하게는, 약 2.0㎛ 이상 약 3.5㎛이하이며, Nb계 금속 필라멘트(6)끼리의 간격이 약 0.7㎛ 이상 약 1.5㎛ 이하, 바람직하게는, 약 0.8㎛ 이상 약 1.2㎛ 이하인 것이 바람직하다.
모듈(1)내의 Nb계 금속 필라멘트(6)가 차지하는 부피 비율이 0.23보다 적은 경우는, 최종적으로 열처리에 의해서 Nb계 금속 필라멘트(6)와 Sn계 금속 코어(5)가 반응하는 것으로 생성되는 Nb3Sn의 양이 줄어, 고 Jc 특성이 얻어지지 않는다. 반대로, 모듈(1)내의 Nb계 금속 필라멘트(6)가 차지하는 부피 비율이 0.27보다 많은 경우는, 열처리에 의해 생성되는 ε상 청동층의 경계영역이 Nb계 금속 필라멘트(6)의 존재영역내에 들어가고, 또한 Nb계 금속 필라멘트(6)끼리의 간격을 충분히 확보할 수 없어진다. 따라서, Qh의 증대 원인인 Nb3Sn 필라멘트의 상호 접촉이 생기기 때문에, 상기 실시형태 2와 같이 Qh 특성의 증대를 억제할 수 없다.
모듈(1)내의 Nb계 금속 필라멘트(6)의 직경이 1㎛보다 좁으면, 필라멘트의 일부에 단선이 생길 가능성이 높게 되어, 상기 실시형태 2와 같은 고 Jc 특성은 얻어지지 않는다. 반대로, 모듈(1)내의 Nb계 금속 필라멘트(6)의 직경이 5㎛보다 굵은 경우는, 최종적으로 열처리에 의해서 필라멘트 전체가 반응할 수 없고 열처리에 의해 생성되는 Nb3Sn의 양이 줄어, 상기 실시형태 2와 같은 고 Jc 특성은 얻어지지 않는다.
또한, 모듈(1)내의 Nb계 금속 필라멘트(6)끼리의 간격이 0.7㎛보다 좁은 경우는, Qh의 증대 원인인 Nb3Sn 필라멘트의 상호 접촉이 생기기 때문에, Qh 특성의 증대를 억제할 수 없다. 반대로, Nb계 금속 필라멘트(6)끼리의 간격이 1.5㎛보다 넓은 경우는, 열처리에 의해 생성되는 Nb3Sn의 양이 줄어, 고 Jc 특성은 얻어지지 않는다.
실시형태 2에서는, Sn의 확산 배리어재로서 Ta 튜브를 이용했지만, 예를 들면 Ta 판을 관형상으로 가공한 것이라도 상기 실시형태 2와 같은 효과를 실현할 수 있다. 또한, Sn의 확산 배리어재의 재질로서 Ta를 이용했지만, Nb계 금속 등, Sn의 확산을 막는 효과가 있는 금속이라면, 실시형태 2와 같은 효과를 실현할 수 있다.
한편, 본 발명에 있어서, Cu계 금속이란 순수한 Cu, 또는 약 2중량% 이하의 Sn을 포함하는 Cu를 지칭한다.
또한, Nb계 금속이란, 순수한 Nb, 또는 약 10중량% 이하의 Ta 및 약 5중량% 이하의 Ti 중 1종 이상을 포함하는 Nb를 말한다.
더욱, Sn계 금속이란, 순수한 Sn, 또는 약 5중량% 이하의 Ti, 약 2중량% 이하의 Cu, 약 2중량% 이하의 In 중 적어도 1종을 포함하는 Sn을 말한다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 Nb-Sn상 초전도 와이어의 전구 와이어는 열처리에 의해 Qh 특성의 증대가 억제되고 높은 Jc 특성을 갖는 Nb-Sn상 초전도 와이어로 될 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 이들의 바람직한 실시양태와 관련하여 설명하였지만, 당업계의 숙련자들에게는 다양한 변형 및 개조가 명백하다는 점에 주목해야 한다. 이러한 변형 및 개조는, 첨부된 특허청구범위에서 정의한 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한, 본 발명의 범주에 속하는 것으로 이해되어야 한다.

Claims (4)

  1. 열처리하여 초전도 와이어로 제조되고 종방향으로 연장하며, 코어 부분 및 상기 코어 부분을 둘러싸는 쉘 부분을 포함하는 단면을 갖는 복수개의 모듈을 포함하는 Nb-Sn상 초전도 와이어의 전구 와이어로서,
    각각의 상기 모듈이 Sn계 금속으로만 이루어진 코어 부분, 및 Cu계 금속으로 이루어진 매트릭스와 상기 Cu계 금속에 매설된 Nb계 금속 필라멘트를 포함하는 쉘 부분으로 구성되며,
    상기 Nb계 금속 필라멘트는 상기 코어 부분 주위에 동심원상으로 등간격으로 배치되고, 또한 추가로 그의 원주 주위에 외주를 향하여 순차적으로 배치되고,
    각각의 모듈에서, 상기 열처리에 의해서 상기 코어 부분의 Sn계 금속과 상기 매트릭스의 Cu계 금속이 반응함에 의해 상기 모듈중에 생성되는 ε상 청동층(Cu3Sn)의 경계의 범위가 모듈내 상기 Nb계 금속 필라멘트를 전부 포함하는 범위가 되도록, 상기 코어 부분의 Sn계 금속의 양이 Sn계 금속 코어가 될 Sn계 금속 막대의 직경에 의해 조정된 것을 특징으로 하는 Nb-Sn상 초전도 와이어의 전구 와이어.
  2. 제 1 항에 있어서,
    각각의 상기 모듈이,
    각 모듈중의 상기 Nb계 금속 필라멘트가 차지하는 부피 비율이 0.28 이상 0.34 이하이며,
    각 모듈중의 상기 Cu계 금속 매트릭스에 대한 상기 ε상 청동층(Cu3Sn)의 부피 비율이 0.6 이상 0.8 이하이며,
    상기 Nb계 금속 필라멘트의 직경이 1㎛ 이상 5㎛ 이하이며,
    상기 Nb계 금속 필라멘트들간의 간격이 0.7㎛ 이상 1.5㎛ 이하인 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 Nb-Sn상 초전도 와이어의 전구 와이어.
  3. 열처리하여 초전도 와이어로 제조되고 종방향으로 연장하며, 코어 부분 및 상기 코어 부분을 둘러싸는 쉘 부분을 포함하는 단면을 갖는 복수개의 모듈을 포함하는 Nb-Sn상 초전도 와이어의 전구 와이어로서,
    각각의 상기 모듈이 Sn계 금속으로만 이루어진 코어 부분, 및 Cu계 금속으로 이루어진 매트릭스와 상기 Cu계 금속에 매설된 Nb계 금속 필라멘트를 포함하는 쉘 부분으로 구성되며,
    상기 Nb계 금속 필라멘트는 상기 코어 부분 주위에 동심원상으로 등간격으로 배치되고, 또한 추가로 그의 원주 주위에 외주를 향하여 순차적으로 배치되고,
    각각의 모듈에서, 상기 열처리에 의해서 상기 코어 부분의 Sn계 금속과 상기 매트릭스의 Cu계 금속이 반응함에 의해 상기 모듈중에 생성되는 ε상 청동층(Cu3Sn)의 경계의 범위가 모듈내 상기 Nb계 금속 필라멘트의 존재 영역의 0.08 이상 0.32 이하의 비율을 포함하는 범위가 되도록, 상기 코어 부분의 Sn계 금속의 양이 Sn계 금속 코어가 될 Sn계 금속 막대의 직경에 의해 조정된 것을 특징으로 하는 Nb-Sn상 초전도 와이어의 전구 와이어.
  4. 제 3 항에 있어서,
    각각의 상기 모듈이,
    각 모듈중의 상기 Nb계 금속 필라멘트가 차지하는 부피 비율이 0.23 이상 0.27 이하이며,
    각 모듈중의 상기 Cu계 금속 매트릭스에 대한 상기 ε상 청동층(Cu3Sn)의 부피 비율이 0.4 이상 0.55 이하이며,
    상기 Nb계 금속 필라멘트의 직경이 1㎛ 이상 5㎛ 이하이며,
    상기 Nb계 금속 필라멘트들간의 간격이 0.7㎛ 이상 1.5㎛ 이하인 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 Nb-Sn상 초전도 와이어의 전구 와이어.
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