KR100761607B1 - Ｎｂ₃Ｓｎ 초전도 선재 제조용 전구체, Ｎｂ₃Ｓｎ 초전도선재 및 이를 제조하는 방법 - Google Patents

Ｎｂ₃Ｓｎ 초전도 선재 제조용 전구체, Ｎｂ₃Ｓｎ 초전도선재 및 이를 제조하는 방법 Download PDF

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Abstract

Nb3Sn 초전도 선재를 제조하기 위한 방법은 Nb 또는 Nb 합금으로 제조된 파이프 부재 내부에 적어도 Sn을 함유하는 코어 물질을 설치 또는 삽입하는 단계, 복합 부재를 형성하도록 Cu 빌릿 내부에 파이프 부재를 삽입하는 단계, 복합 부재에 직경 감소 가공을 적용시키는 단계 및 이어서 파이프 부재의 내부면으로부터 Nb3Sn 초전도 층을 형성하도록 복합 부재를 열처리하는 단계를 포함하고, 직경 감소 가공 이후에 Nb 또는 Nb 합금으로 제조된 파이프 부재에 있어서, 평균 결정 입자 크기는 0.1 내지 2 ㎛이고, 양호하게는 산소, 질소 및 탄소의 전체 농도는 120 ppm 이하이다.
Ｎｂ₃Ｓｎ 초전도 선재, 열처리, 복합 부재, 초전도 층, 파이프 부재

Description

Ｎｂ₃Ｓｎ 초전도 선재 제조용 전구체, Ｎｂ₃Ｓｎ 초전도 선재 및 이를 제조하는 방법{PRECURSOR FOR FABRICATING Ｎｂ3Ｓｎ SUPERCONDUCTING WIRE, AND Ｎｂ3Ｓｎ SUPERCONDUCTING WIRE, AND METHOD FOR FABRICATING SAME}
도1은 분말 프로세스에 의해 Nb3Sn 초전도 선재가 제조되는 상태를 도시하는 개략 단면도.
도2는 도면 대체용으로 제공된 샘플 J의 단면을 도시한 현미경 사진.
도3은 도면 대체용으로 제공된 샘플 K의 단면을 도시한 현미경 사진.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 파이프 부재
2 : 분말 코어
본 발명은 Nb3Sn 초전도 선재 및 튜브 프로세스 또는 분말 프로세스로서 이러한 초전도 선재를 제조하기에 유용한 방법에 관한 것이다. 구체적으로는, 본 발명은 자기장을 생성시키기 위한 초전도 자석용 재로로서 유용한 Nb3Sn 초전도 선재 및 Nb3Sn 초전도 선재를 제조하기 위한 방법에 관한 것이며, 초전도 자석은 핵 확산 장치, 가속기, 분말 저장 장치, 물리적 특성 연구 등에 사용된다.
초전도 선재가 실질적으로 사용되는 기술 분야에 있어서, 고분해능의 핵자기 공명(NMR) 분석기용으로 사용되는 초전도 자석과 관련하여, 분해능은 생성되는 자기장의 크기가 증가함에 따라 증가하기 때문에, 초전도 자석이 최근에는 더 높은 자기장을 발생시키기 위해 사용되는 경향이 있다.
높은 자기장을 발생시키는 초전도 자석용으로 사용되는 초전도 선재로서는, Nb3Sn 선재가 실용으로 사용되어 왔다. Nb3Sn 초전도 선재의 제조에 있어서, 청동 프로세스가 주로 채용된다. 청동 프로세스에 있어서, 복수의 Nb계 코어가 Cu-Sn계 합금(청동) 매트릭스 내에 매설되고, 선재 인발이 수행되어 Nb계 코어가 필라멘트로 형성된다. 복수의 필라멘트는 선재 그룹으로 묶여지고, 선재 그룹은 안정화용 구리(안정화 구리) 내에 매설되고, 선재 인발이 수행된다. 선재 그룹은 Nb계 필라멘트와 매트릭스 사이의 계면에서 Nb3Sn 성분 상을 형성하도록 600 ℃ 내지 800 ℃에서 열처리(확산 열처리)가 적용된다. 그러나, 이러한 프로세스에서, 청동 내에서 Sn이 고용 가능한(solid soluble) 농도가 제한되기 때문에(질량당 15.8% 이하), 최종 Nb3Sn 층은 작은 두께를 가지고, 결정성은 저하되어, 높은 자기장 특성은 만족스럽지 않다.
Nb3Sn 초전도 선재를 제조하기 위한 방법으로서, 청동 프로세스 이외에, 튜 브 프로세스 및 분말 프로세스가 알려져 있다. 튜브 프로세스에 있어서, Sn 코어 또는 Sn 합금 코어가 Nb 또는 Nb 합금 튜브(파이프 부재) 내에 배치되고, 튜브는 복합 부재를 형성하도록 Cu 파이프(Cu 빌릿) 내부에 삽입된다. 복합 부재는 직경 감소 가공이 적용되고, 이어서 Nb 및 Sn 사이의 확산 반응을 야기시킴으로써 Nb3Sn을 생성시키도록 열처리가 수행된다. 다르게는, 몇몇 경우에 있어서, 사용될 복합 부재가 Sn 코어 또는 Sn 합금 코어가 Cu 파이프 내부로 삽입되는 방법에 의해 준비될 수도 있고, Cu 파이프는 Nb 또는 Nb 합금 튜브 내에 배치되고, 튜브는 다른 Cu 파이프 내부에 삽입된다. 예를 들면, 미국 특허 제4,043,028호(특허 문서1)가 참조된다.
반면에, 분말 프로세스로서는, 예를 들면, 일본 무심사 특허 출원 공개 평11-250749호(특허 문서2)가 참조되고, 청구항 단락[0019] 등에 있어서, Sn 그리고 Ti, Zr, Hf, V 및 Ta를 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 금속(합금 원소)이 합금 또는 그 금속간 화합물을 형성하도록 용융 확산 반응이 적용되고, 합금 또는 금속간 화합물은 Sn 화합물 개시 물질의 분말을 얻기 위해 분쇄된다. 분말은 Nb 또는 Nb계 합금 시즈(sheath, 파이프 부재) 내부에 코어(분말 코어, 2, 후술됨)로서 설치되고, 직경 감소 가공이 수행된다. 이어서, 열처리(확산 열처리)가 수행된다.
도1은 Nb3Sn 초전도 선재가 분말 프로세스에 의해 제조되는 상태를 도시한 개략 단면도이다. 도1에 있어서, 도면 부호 1은 Nb 또는 Nb계 합금으로 제조된 시즈(파이프 부재)를 나타내고, 도면 부호 2는 개시 물질 분말로서 설치되는 분말 코어를 나타낸다. 분말 프로세스가 실행되면, 적어도 Sn를 포함하는 개시 물질 분말은 시즈(1) 내의 분말 코어(2) 내부에 설치되고, 이어서 시즈(1)는 복합 부재를 형성하도록 Cu 빌릿(도시 생략) 내부로 삽입된다. 복합 부재는 선재를 형성하도록 압출 성형되고 선재 인발과 같은 직경 감소 가공이 적용된다. 이어서, 선재는 자석 등의 형태로 감겨지고, 시즈 내부면으로부터 Nb3Sn 초전도 상을 형성하도록 열처리가 수행된다.
단일 코어가 도1에서 대표 예로서 도시되었지만, 실제는 복수의 단일 코어가 Cu 파이프(Cu 빌릿) 내에 배치되는 다중 코어 부재를 사용하는 것이 통상적이다. 이는 튜브 프로세스에서도 적용된다.
분말 프로세스에 있어서, 초전도 상을 형성하기 위한 열처리 온도는 양호하게는 약 900 ℃ 내지 1,000 ℃ 정도로 높다. 그러나, 개시 물질 분말에 구리를 첨가함으로써 열처리 온도가 600 ℃ 내지 800 ℃로 감소될 수 있다는 것 또한 공지되어 있다. 이러한 견지에서, 분말 프로세스에 있어서, 일반적으로는 Cu 분말 중 질량당 2 % 내지 20 % 정도가 개시 물질 분말로서 첨가된 이후에, 금속간 화합물을 제조하기 위한 열처리가 수행된다(특허 문서2 참조). 또한, 튜브 프로세스에 있어서는 이러한 목적으로 Cu 층(그 내부에 Sn 코어 또는 Sn 합금 코어가 삽입되는 Cu 층)이 Nb 또는 Nb 합금 시즈 내측에 형성될 수도 있다(특허 문서1 참조).
튜브 프로세스 및 분말 프로세스에 있어서는, 청동 프로세스와는 다르게, Sn 농도가 고용 용해도 한계 때문에 제한되지 않음으로써, Sn 농도가 가능한 높게 설정될 수 있다. 또한, 청동 프로세스와 비교하여 더 큰 두께를 가진 양질의 Nb3Sn 층이 형성될 수 있기 때문에, 우수한 높은 자기장 특성을 가지는 초전도 선재가 획득될 수 있는 것으로 여겨진다. 또한, 직경 감소 가공은 중간 어닐링 없이 수행될 수 있어서, 튜브 프로세스 및 분말 프로세스는 생산성 관점에서 장점을 가진다.
전술된 바와 같이, 튜브 프로세스 및 분말 프로세스에 있어서, 개시 물질 분말 또는 Sn 합금 코어(이후, 양자 모두 "코어 물질"이라 칭함)는 Nb 또는 Nb 합금으로 제조된 파이프 부재 내부에 설치 또는 삽입되고, 파이프 부재는 복합 부재를 형성하도록 Cu 빌릿 내부로 더 깊이 삽입된다. 복합 부재는 단일 코어 선재를 제조하도록 압출 성형 및 선재 인발이 적용되고, 이어서 열처리가 적용된다. 다르게는, Cu 빌릿 내부에 삽입된 복합 부재는 6각 단면을 가지는 부재를 제조하도록 선재 인발만 또는 압출 성형과 선재 인발 모두가 적용된다. 다중 코어 부재를 제조하기 위해 복수의 최종 부재는 묶여지고 선재 인발만 또는 압출 성형과 선재 인발 모두가 적용되고 이어서 열처리가 적용된다. 그러나, 이들 프로세스에 있어서, 프로세스 중에 다음의 문제가 발생한다.
튜브 프로세스 및 분말 프로세스에 있어서, Nb 또는 Nb 합금으로 제조된 파이프 부재는 구조적으로 양호한 가공성을 가지는 것이 요구된다. 그러나, 지금까지 사용된 파이프 부재에 있어서, 압출 성형 및 선재 인발 프로세스 중에 형상에 있어서의 변화는 변화없이 발생하지 않을 수도 있지만, 주연 방향에 있어서는 파이프 부재의 불균일한 두께라는 결과를 낳는다. 그 결과, 프로세스 중 파이프 부재의 파손에 기인하여 불연속이 발생할 수도 있고, 또는 내부 Sn이 파이프 부재를 관통하여 Cu 매트릭스 내부로 확산할 수도 있어서(이후 "Sn 누설"이라 칭함), 초전도성은 크게 저하된다.
반면에, 청동 프로세스에 있어서는, 사용되는 Nb계 코어가 바아 형상이기 때문에, 양호한 가공성이 요구되지 않고, 전술된 문제점들은 압출 성형 및 선재 인발의 통상적인 프로세스 조건에서는 발생하지 않는다. 즉, 이러한 문제점들은 Nb 또는 Nb 합금으로 제조된 파이프 부재가 사용되는 분말 프로세스 또는 튜브 프로세스에서만 특정된다.
본 발명은 이러한 상황 하에서 달성되었다. 본 발명의 목적은 압출 성형 및 선재 인발 중에 균일한 가공이 가능하고, 불연속의 발생 및 Sn 누설이 프로세스 중에 방지될 수 있으며, 최종 Nb3Sn 초전도 선재가 우수한 초전도성을 나타내는 튜브 프로세스 또는 분말 프로세스에 의한 Nb3Sn 초전도 선재를 제조하는데 유용한 방법 및 이러한 Nb3Sn 초전도 선재를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 태양에 있어서, Nb3Sn 초전도 선재를 제조하기 위한 전구체는 Nb 또는 Nb 합금으로 제조된 파이프 부재 내부에 설치 또는 삽입되고 적어도 Sn 함유하는 코어 물질 및 파이프 부재 주위에 배치되는 Cu 빌릿을 포함하는 복합 부재를 포함하고, Nb 또는 Nb 합금을 포함하는 파이프 부재는 4 내지 80 ㎛의 평균 결정 입자 크기 및 120 ppm 이하의 산소, 질소 및 탄소의 전체 농도를 가진다.
본 발명의 다른 태양에 있어서, Nb3Sn 초전도 선재를 제조하기 위한 방법은 Nb 또는 Nb 합금으로 제조된 파이프 부재 내부에 적어도 Sn을 함유하는 코어 물질을 설치 또는 삽입하는 단계, 복합 부재를 형성하도록 Cu 빌릿 내부에 파이프 부재를 삽입하는 단계, 복합 부재에 직경 감소 가공을 적용시키는 단계 및 이어서 파이프 부재의 내부면으로부터 Nb3Sn 초전도 층을 형성하도록 복합 부재를 열처리하는 단계를 포함하고, 직경 감소 가공 이후에 Nb 또는 Nb 합금으로 제조된 파이프 부재에 있어서, 평균 결정 입자 크기는 0.1 내지 2 ㎛이고, 양호하게는 산소, 질소 및 탄소의 전체 농도는 120 ppm 이하이다.
본 발명의 제조 방법에 따르면, 균일한 가공이 달성되고 양호한 초전도성을 나타내는 Nb3Sn 초전도 선재가 제조될 수 있다. 이러한 초전도 선재에 있어서, 비구리 부분의 임계 전류 밀도(Jc)는 21 T의 외부 자기장 및 4.2 K의 온도에서 측정시 130 A/mm2 이상이다.
본 발명에 따르면, 초전도 선재의 제조에 있어서, 평균 결정 입자 크기 및 산소, 질소 및 탄소의 전체 농도가 적절한 범위 내에 설정되는 파이프 부재를 사용함으로써, 불연속 및 Sn 누설이 프로세스 중에 발생하는 것을 방지하는 것이 가능하게 되어 균일한 가공이 달성되고, 따라서 양호한 초전도성을 나타내는 Nb3Sn 초전 도 선재가 제조될 수 있다.
본 발명자들은 튜브 프로세스 또는 분말 프로세스에서 압출 성형 또는 선재 인발 중 파이프 부재의 형상에 있어서의 불균일한 변화의 발생 원인을 연구하여 왔다. 그 결과, Nb 또는 Nb 합금으로 제조된 파이프 부재에 있어서, 양호한 가공성이 구조적으로 요구되기 때문에 비교적 큰 Nb 결정 입자 크기를 가지는 물질이 일반적으로 사용되고, 이 점이 형상에 있어서 불균일한 변화를 야기한다는 것을 발견하였다. 즉, 파이프 부재에 있어서, 양호한 가공성을 확보하기 위해, 가공 이전에 100 ㎛ 이상의 평균 결정 입자를 가지는 물질이 사용된다. 그러나, 가공성은 양호하게 되면, 형상에 있어서의 불균일한 변화가 쉽게 발생한다.
따라서, 본 발명자들은 형상에 있어서의 불균일한 변화를 방지하기 위해서 파이프 부재에 있어서 평균 결정 입자 크기가 상대적으로 감소되어야만 한다는 아이디어에 기초하여 연구를 수행하여 왔다. 그 결과, 형상에 있어서의 불균일한 변화는 가공 이전의 평균 결정 입자 크기가 4 내지 80 ㎛ 정도로 설정되고, 그리고/또는 가공 이후의 평균 결정 입자 크기가 0.1 내지 2 ㎛ 정도로 설정되면 형상에 있어서의 불균일한 변화가 발생하지 않는 것을 발견하였다. 평균 결정 입자 크기가 4 ㎛ 미만으로 설정되면, 가공 경화가 증가하고, 파이프 부재의 파손이 자주 발생한다. 그 결과, Nb3Sn을 생성시키기 위한 열처리에 있어서, Sn은 파이프 파손을 통해 Cu 매트릭스 내부로 확산하여서, 초전도성을 저하시킨다. 평균 결정 입자 크기가 80 ㎛를 초과하면, 형상에 있어서의 불균일한 변화가 파이프 부재 내에서 발생하고, 이는 가공이 진행됨에 따라 파이프 부재 내에서 현저하게 작은 두께를 가진 부분의 발생 가능성을 증가시킨다. 그 결과, Nb3Sn을 생성시키기 위한 열처리에 있어서, Sn이 파이프를 관통하고 Cu 매트릭스 내부로 확산하여서, 초전도성을 감소시킨다.
그러나, 단지 Nb 결정 입자 크기를 감소시키는 것에 의해서는, 몇몇 경우, 가공 중 부재의 강도 증가(가공 경화)가 과도하게 높게 될 수도 있어서, 심지어 파이프 부재로 형성시키고 압출 성형 및 선재 인발을 수행하는데 어려움이 있을 수도 있다. 이러한 폐단을 방지하기 위해 추가의 연구가 수행되었고, 그 결과 파이프 부재 내의 산소, 질소 및 탄소와 같은 원소가 억제되면, 가공 경화가 억제되고 안정된 가공이 달성되는 것을 발견하였다. 이러한 효과를 얻기 위해서, 파이프 부재 내의 산소, 질소 및 탄소의 전체 농도를 120 ppm 이하, 양호하게는 20 내지 100 ppm으로 설정하는 것이 필요하다. 지금까지 사용된 파이프 부재에 있어서, 산소, 질소 및 탄소의 양은 전혀 고려되지 않았고, 통상 200 내지 300 ppm의 전체 농도를 가지는 파이프 부재가 사용된다.
파이프 부재 내의 평균 결정 입자 크기는 단조와 롤링 및 어닐링과 같은 가공에 의한 조정으로서 제어될 수 있다. 또한, 파이프 부재 내의 산소, 질소 및 탄소의 양은 모합금의 순도를 증가시키는 것, 예를 들면 합금의 용융 동안 진공도를 증가시키는 것 또는 높은 진공 내에서의 반복된 용융에 의해 감소될 수 있다.
본 발명에 사용되는 코어 물질은 적어도 Sn을 함유하고, 그 특정 예로서 Sn 그리고 Ti, Zr, Hf, V, Ta 및 Cu를 포함하는 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 금속을 함유하는 코어 물질을 포함한다. 코어 물질의 형태로서는 합금 분말, 금속간 화합물 분말, 혼합 분말 또는 이들 성분을 함유하는 합금 부재 중 임의의 것이 채용될 수 있다. 코어 물질 내에 함유된 성분 중에서, Sn은 그 주위에 배치된 Nb 또는 Nb 합금과의 반응에 의해 Nb3Sn 층을 형성한다. 또한, Ti, Zr, Hf, V 및 Ta와 같은 성분은 Nb3Sn 층의 형성을 가속화시키고 Nb3Sn 층 내에서의 고용에 의해 21 T 이상으로 Jc 값을 향상시키는데 효과적이다. 또한, Cu는 열처리 온도를 감소시키는 효과를 가진다(예를 들면, 600 ℃ 내지 800 ℃). 추가로, 튜브 프로세스에 있어서, Cu를 코어 물질에 섞기 위해서, Cu의 얇은 층이 시즈 내측에 배치될 수도 있다.
코어 물질 내에서의 Sn과 다른 성분 사이의 혼합비는 초전도성의 견지에서 적절히 설정될 수 있다. Sn의 반응성 관점에서, 양호하게는 Sn은 질량당 20 % 이상의 양이 혼합되거나 섞이게 된다.
전술된 조건을 만족하도록 제조된 Nb3Sn 초전도 선재에 있어서, 후술될 예들에서 도시될 바와 같이, 우수한 초전도성이 나타나고, 예를 들면 비구리 부분의 임계 전류 밀도(Jc)는 21 T의 외부 자기장 및 4.2 K의 온도에서 측정시 130 A/mm2 이상이다.
본 발명은 예들을 통해 더 상세히 설명될 것이다. 그러나, 후술될 예들은 본 발명을 제한하는 것이 아니며, 전술되고 후술되는 목적에 따른 설계의 변화는 본 발명의 기술적 범위 내에 포함된다.
예1
350 메시(mesh)의 크기(40 ㎛ 이하의 입자 크기 가짐)의 Sn 분말 및 Ta 분말이 Ta : Sn = 6:5인 원자비를 만족하도록 혼합되었고, 질량당 2%의 Cu 분말이 거기에 첨가되어, 계속 혼합되었다. 최종 혼합물은 알루미늄 사발 내에 놓여 지고, 10 시간 동안 950 ℃에서 0.01 Pa의 진공에서 열처리가 수행되었다. 열처리된 혼합물은 분쇄되어 다시 알루미늄 사발에 놓여 지고, 10시간 동안 950 ℃에서 0.01 Pa의 진공에서 열처리가 수행되었고, 이어서 100 ㎛ 이하의 입자 크기를 가지는 Ta-Sn-Cu 합금 분말을 형성하기 위한 분쇄가 수행되었다.
최종 합금 분말이 11 mm인 내경 및 17 mm인 외경을 가진 질량당 7.5%인 Nb 및 Ta 합금으로 제조된 파이프 내부에 설치되고, 합금은 산소, 질소 및 탄소 가스 성분의 다른 농도 또는 다른 결정 입자 크기를 가진다. 모든 샘플에 대해서, 수소 농도도 측정되었고, 결과는 5 ppm 이하로, 그 영향은 미미하다. 작은 평균 결정 입자 크기(10 ㎛ 이하)를 가지는 것들은 단금에 의해 얻어졌고, 큰 평균 결정 입자 크기를 가지는 것들은 진공에서 어닐링(800 ℃ 내지 1,000 ℃에서 열처리)의해 조정되었다. 가스 성분 및 파이프의 가공 전의 평균 결정 입자 크기가 후술될 프로세스에 의해 측정되었다. 최종 선재 직경에서의 평균 결정 입자 크기는 이어지는 가공율로부터 산출되었다.
[가공 이전의 평균 결정 입자 크기를 산출하는 방법]
광학 현미경에 의해, 인터셉트 방법(서로에 대해 직교하는 라인 내에 포함되 고 소정의 길이를 가지는 결정 입자의 크기가 각각의 시계에서 측정되고 그 평균을 구하는 방법)을 사용하여 세 개의 시계(field of view)가 (10 내지 100 배율에서) 검사되었고, 그 평균 결정 입자 크기가 산출되었다.
[가공 이후의 평균 결정 입자 크기를 산출하는 방법]
고분해능의 전계 방출 스캐닝 현미경을 사용하여, 세 개의 시계에서의 반응 전자 이미지가 (2,000 내지 20,000 배율에서) 검사되었고, 평균 결정 입자 크기가 인터셉트 방법에 의해 산출되었다.
[가스 성분을 측정하는 프로세스]
산소, 질소, 탄소 및 수소와 같은 가스 성분의 농도가 불활성 가스 용융 분석기를 사용하여 측정되었다.
각각의 샘플에 대해 합금 분말로서 채워진 7개의 Nb 합금 파이프가 압출 빌릿(외경 : 67 mm) 내부에 설치되었다. 압출 빌릿은 다이를 사용하여 냉간 선재 인발 및 압출 성형이 적용되어서 1.5 mm의 최종 선재 직경을 가지는 선재를 제조하였다.
각각의 선재는 80 시간 동안 820 ℃의 진공에서 열처리가 적용되었다. 최종 선재에 대해서, 높은 자기장(외부 자기장 : 21 T)에서 액체 헬륨(온도 : 4.2 K) 내에서의 임계 전류(Ic) 및 선재 인발 결과가 측정되었다. Ic 값은 임계 전류 밀도(Jc : A/mm2)를 평가하기 위해 선재의 단면적 내에서 비구리 부분의 면적으로 구분되었다. 아래 표1은 평균 결정 입자 크기(가공 이전 및 이후) 및 Nb-Ta 합금 파이 프의 조성과 함께 그 결과를 도시한다.
표1
Figure 112006016787548-pat00001
결과로부터 명백한 바와 같이, 샘플 H를 제외한 모든 샘플에 있어서, 최종 선재 직경이 달성될 때까지 선재 인발을 수행하는 것이 가능하였다. 샘플 H와 관련하여서는, 가스 성분의 고농도, 현저한 가공 경화 및 가공 전의 큰 결정 입자 크기 때문에 가공 중 형상에 있어서의 불균일한 변화가 현저하게 증가하고, 결과적으로 불연속이 발생하였다. 다른 샘플(샘플 A 내지 G 그리고 I)과 관련하여서는, 최종 선재 직경이 달성될 때까지 선재 인발을 수행하는 것이 가능하였지만, 초전도성(임계 전류 밀도)이 조건에 따라 변화되었다.
샘플 A, B 및 E와 관련하여서는, Jc 값이 심지어 21 T의 외부 자기장에서도 130 A/mm2을 초과하였다. 그러나, 샘플 C, D, G 및 I와 관련하여서는, Jc 값이 겨우 앞선 값의 절반 정도였다. 전자 현미경에 의해 샘플 C, D, G 및 I의 단면의 반 응 전자 이미지가 이어서 검사되었고, Nb-Ta 파이프 내에 파손이 발생 되고, Cu 섹션으로 Sn 누설되고, Nb3Sn가 샘플 모두에서 효과적으로 생성되지 않음이 확인되었다.
예2
55 mm의 외경 및 30 mm의 내경을 가지며, 다른 산소, 질소 및 탄소 가스 성분의 농도 및 다른 평균 결정 입자 크기를 가지는 질량당 7.5%인 Nb 및 Ta로 제조된 각각의 파이프 내부로, 30 mm의 외경 및 26 mm의 내경을 가지는 Cu 파이프가 삽입되었고, 26 mm의 외경을 가지는 Sn 로드가 그 안으로 더 삽입되었다. Nb-Ta 합금 파이프는 압출 빌릿을 형성하도록 67 mm의 외경을 가지는 Cu 파이프로 덮여졌고, 빌릿은 28 mm의 외경이 달성되도록 실내 온도에서 압출되었다. 이어서, 다이를 사용한 선재 인발에 의해 외경이 0.3 mm로 감소되었다.
각각의 선재는 80 시간 동안 700 ℃의 진공에서 열처리가 적용되었다. 최종 선재와 관련하여, 높은 자기장(외부 자기장 : 21 T)에서 액체 헬륨(온도 : 4.2 K) 내에서 임계 전류(Ic) 및 선재 인발 결과가 측정되었다. Ic 값은 임계 전류 밀도(Jc : A/mm2)를 평가하기 위해 선재의 단면적 내에서 비구리 부분의 면적으로 구분되었다. 아래 표2는 평균 결정 입자 크기(가공 이전 및 이후) 및 Nb-Ta 합금 파이프의 조성과 함께 그 결과를 도시한다.
표2
Figure 112006016787548-pat00002
결과로부터 명백한 바와 같이, 샘플 J에 있어서 최종 선재 직경이 달성될 때까지 선재 인발을 수행하는 것이 가능하였고 Jc 값은 높았다. 그러나, 샘플 J에 있어서, 불연속이 가공 중에 발생하였고 최종 선재 직경이 달성되지 않았다. 도2 및 도3은 압출 직후 샘플 J 및 K의 단면을 각각 도시한 광학 현미경 사진이다.
도2 및 도3으로부터 명백한 바와 같이, 샘플 J(도2)에 있어서는 선재 인발이 확실하게 수행되었지만, 샘플 K(도3)에 있어서는 Nb-Ta 합금 파이프가 현저하게 불균일하게 감소되었다. 샘플 K와 관련하여서는, 가스 성분의 고농도, 현저한 가공 경화 및 가공 이전의 큰 결정 입자 크기 때문에, 가공 중에 형상에 있어서의 불균일한 변화가 현저하게 증가하고, 결과적으로 불연속이 발생한 것으로 여겨진다.
본 발명에 의하면, 압출 성형 및 선재 인발 중에 균일한 가공성이 가능하고, 불연속의 발생 및 Sn 누설이 프로세스 중에 방지될 수 있으며, 최종 Nb3Sn 초전도 선재가 우수한 초전도성을 나타내는 튜브 프로세스 또는 분말 프로세스에 의한 Nb3Sn 초전도 선재를 제조하는데 유용한 방법 및 이러한 Nb3Sn 초전도 선재가 제공된다.

Claims (3)

  1. Nb3Sn 초전도 선재를 제조하기 위한 전구체이며,
    Nb 또는 Nb 합금으로 제조된 파이프 부재와,
    상기 파이프 부재 내부로 설치 또는 삽입되고 적어도 Sn을 함유하는 코어 물질과,
    상기 파이프 부재 주위에 배치되는 Cu 빌릿을 가지는 복합 부재를 포함하고,
    Nb 또는 Nb 합금으로 제조된 상기 파이프 부재는 4 내지 80 ㎛의 평균 결정 입자 크기 및 120 ppm 이하의 산소, 질소 및 탄소의 전체 농도를 가지는 Nb3Sn 초전도 선재를 제조하기 위한 전구체.
  2. Nb3Sn 초전도 선재를 제조하기 위한 방법이며,
    Nb 또는 Nb 합금으로 제조된 파이프 부재 내부에 적어도 Sn을 함유하는 코어 물질을 설치 또는 삽입하는 단계와,
    복합 부재를 형성하도록 Cu 빌릿 내부에 상기 파이프 부재를 삽입하는 단계와,
    상기 복합 부재에 직경 감소 가공을 적용시키는 단계와,
    상기 파이프 부재의 내부면으로부터 Nb3Sn 초전도 층을 형성하도록 상기 복합 부재를 열처리하는 단계를 포함하고,
    직경 감소 가공 이후에 Nb 또는 Nb 합금으로 제조된 상기 파이프 부재에 있어서, 평균 결정 입자 크기는 0.1 내지 2 ㎛인 Nb3Sn 초전도 선재를 제조하기 위한 방법.
  3. 제2항에 따른 방법에 의해 제조된 Nb3Sn 초전도 선재이며, 비구리 부분의 임계 전류 밀도(Jc)는 21 T의 외부 자기장 및 4.2 K의 온도에서 측정되는 경우 130 A/mm2 이상인 Nb3Sn 초전도 선재.
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