KR20070085238A - 산화물 초전도 선재의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
산화물 초전도 선재의 제조방법은 이하의 공정을 구비한다. 산화물 초전도체의 원재료 분말을 금속으로 피복한 형태를 갖는 선재를 제작한다(S1 내지 4). 선재를 압연한다(S5). 압연(S5) 후에 선재를 가압 분위기에서 열처리한다(S6). 압연(S5)시의 선재의 압하율은 50% 이상 80% 이하이다. 이것에 의해, 초전도 특성을 향상시킬 수 있다.
Description
본 발명은 산화물 초전도 선재의 제조방법에 관한 것이고, 보다 특정적으로는, 초전도 특성을 향상시킬 수 있는 산화물 초전도 선재의 제조방법에 관한 것이다.
종래부터, 산화물 초전도 선재의 제조방법으로서, 산화물 초전도체의 원재료 분말을 금속관에 충전한 후, 신선(伸線; wire drawing) 가공이나 압연 가공을 금속관에 실시함으로써 수득된 선재를 열처리하여 산화물 초전도체의 원재료 분말을 소결하여, 산화물 초전도 선재를 얻는 방법이 알려져 있다. 그러나 상기의 소결을 위한 열처리 공정에서 선재에 부풀기(blister)가 생기는 것에 의해, 수득된 산화물 초전도 선재의 초전도 특성이 저하되는 등의 문제가 있었다.
그래서, 최근, 선재를 가압 분위기에서 열처리함으로써 초전도 특성을 향상시키는 수법이 개발되고 있다. 예컨대 일본 특허공개 1993-101723호 공보(특허문헌 1)에서는, 산화물 초전도체의 분말을 충전하여 이루어진 금속관 또는 그 편평체 를 가압 분위기에서 가열 처리하여 산화물 초전도체의 분말을 소결시키는 것을 특징으로 하는 산화물 초전도 선재의 제조방법이 제안되어 있다. 이 방법에 의하면, 가압 열처리함으로써 초전도 특성이 우수한 선재가 얻어진다고 상기 문헌에 기재되어 있다.
구체적으로는, 산화물 초전도체의 분말을 충전한 금속관을 내열내압의 밀폐 용기 내에 수용하고, 밀폐 용기 내의 온도 상승에 따라 증대하는 내부의 압력의 상승에 의해서 소결시의 부풀기를 방지하는 것이 시도되고 있다. 이 때의 내부압은, 기체의 상태 방정식 등으로부터 구할 수 있고, 예컨대 온도 900℃ 정도의 가열 온도에서는 약 4기압의 내부압을 얻을 수 있다고 상기 공보에 기재되어 있다.
또한, 일본 특허 제2592846호 공보(일본 특허공개 1989-30114호 공보)(특허문헌 2)에는, 열처리 중과 열처리 후 중 적어도 한쪽에 있어서, 내부에 산화물 초전도 분말 등을 충전한 금속관을 고압력 상태로 유지하는 것을 특징으로 하는 산화물 초전도 도체의 제조방법이 제안되어 있다. 이 방법에 의하면, 고압력 상태에 두는 것에 의해, 소결시에 생기는 산화물 초전도체와 금속관의 계면에서의 부분적 박리를 없게 할 수 있다고 상기 공보에 기재되어 있다.
구체적으로는, 내부에 산화물 초전도 분말을 충전한 금속관을, 열처리 중과 열처리 후 중 적어도 한쪽에 있어서, 500 내지 2000kg/cm2(약 50 내지 200MPa)의 고압력 상태로 유지하는 것에 의해 금속관을 소결체측으로 압착할 수 있다. 이것에 의해, 초전도체에 부분적으로 켄칭(quenching) 현상이 발생한 경우에, 이 켄칭 현 상에 의해서 발생한 열을 빠르게 제거할 수 있다. 또한, 이 밖에, 박리부가 응력집중부가 되어, 변형이 생김에 의한 초전도 특성의 열화를 방지할 수도 있다.
또한, 상술한 바와 같이 산화물 초전도 선재의 제조 공정에서는, 원재료 분말을 충전한 금속관을 압연 가공하고 있다. 이 압연 가공은, 금속관 내의 원재료 분말의 밀도를 높여, 얻어지는 산화물 초전도 선재의 초전도 특성을 향상시킬 목적으로 이루어지는 것이다. 이러한 목적에서, 종래의 압연 가공은 84%를 초과하는 높은 압하율(draft)로 행해지고 있었다.
특허문헌 1: 일본 특허공개 1993-101723호 공보
특허문헌 2: 일본 특허 제2592846호 공보(일본 특허공개 1989-30114호 공보)
발명의 개시
발명이 해결하고자 하는 과제
그러나, 종래의 초전도 선재의 제조방법에는 이하의 문제가 있었다. 즉, 원재료 분말을 충전한 금속관을 압연 가공할 때에, 금속관에 핀홀(pin hole)이 발생하였다. 핀홀이 발생하면, 열처리시에 핀홀을 통해서 기체가 선재 내부로 침입하여, 선재 내외의 압력 차이가 없어진다. 그 결과, 가압 분위기에서 열처리하더라도 공극이나 부풀기의 생성이 충분히 억제되지 않아, 높은 초전도 특성을 갖는 산화물 초전도 선재를 얻을 수 없다는 문제가 있었다.
또한, 산화물 초전도 선재가 다심선인 경우에는, 원재료 분말을 충전한 금속관을 압연 가공할 때에, 원재료 분말끼리의 사이의 금속이 압연에 의해서 파괴되 어, 산화물 초전도체 필라멘트끼리가 서로 접촉하기 쉬웠다. 산화물 초전도체 필라멘트끼리가 서로 접촉하면, 산화물 초전도체 필라멘트와 금속의 계면 부분이 감소한다. 통상, 전류는 산화물 초전도체 필라멘트와 금속의 계면 부분을 흐르기 때문에, 이것에 의해 임계 전류값이 감소하여, 초전도 특성이 저하된다는 문제가 있었다. 또한, 산화물 초전도체 필라멘트끼리가 서로 접촉하면, 다심선으로서의 효과가 작게 되기 때문에, 산화물 초전도체 필라멘트에 교류 전류를 흐르게 한 경우에 교류 손실이 증대하여, 초전도 특성이 저하된다는 문제가 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은, 초전도 특성을 향상시킬 수 있는 산화물 초전도 선재의 제조방법을 제공하는 것이다.
과제를 해결하기 위한 수단
본 발명의 산화물 초전도 선재의 제조방법은, 산화물 초전도체의 원재료 분말을 금속으로 피복한 형태를 갖는 선재를 제작하는 공정, 선재를 압연하는 압연 공정, 및 압연 공정 후에 선재를 가압 분위기에서 열처리하는 열처리 공정을 구비한다. 압연 공정에서의 선재의 압하율은 50% 이상 80% 이하이다.
본 발명의 산화물 초전도 선재의 제조방법에 의하면, 종래보다도 낮은 80% 이하의 압하율로 압연 공정을 실시함으로써, 원재료 분말을 피복하는 금속에 핀홀이 발생하기 어렵게 되어, 가압 분위기에서의 열처리에 의해서 공극이나 부풀기의 생성이 충분히 억제된다. 또한, 산화물 초전도 선재가 다심선인 경우에는, 원재료 분말끼리의 사이의 금속이 파괴되기 어렵게 되기 때문에, 산화물 초전도체와 금속과 계면 부분을 확보할 수 있어, 임계 전류값이 감소하기 어렵게 된다. 또한, 산 화물 초전도체에 교류 전류를 흐르게 한 경우에 교류 손실이 증대하기 어렵게 된다. 한편, 가압 분위기에서 열처리할 때에 선재는 압축되기 때문에, 결과적으로 산화물 초전도체의 밀도를 높일 수 있다. 한편, 50% 이상의 압하율로 압연 공정을 실시함으로써, 원재료 분말의 밀도를 충분히 높일 수 있다. 이상으로부터, 산화물 초전도 선재의 초전도 특성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 산화물 초전도 선재의 제조방법에 있어서 바람직하게는, 압연 공정에서의 선재의 압하율은 60% 이상이며, 보다 바람직하게는 70% 이상이다.
이로써, 원재료 분말을 피복하는 금속에 핀홀이 한층 더 발생하기 어렵게 된다. 또한, 산화물 초전도 선재가 다심선인 경우에, 산화물 초전도체끼리의 사이의 금속이 한층 더 파괴되기 어렵게 된다.
본 발명의 산화물 초전도 선재의 제조방법에 있어서 바람직하게는, 열처리 공정 후에 선재를 압연하는 재압연 공정, 및 재압연 공정 후에 선재를 가압 분위기에서 열처리하는 재열처리 공정을 추가로 구비하고 있다. 이로써, 산화물 초전도 선재의 소결 밀도를 더욱 향상시킬 수 있어, 초전도 특성을 한층 더 향상시킬 수 있다.
본 발명의 산화물 초전도 선재의 제조방법에 있어서 바람직하게는, 압연 공정에서 선재의 측면을 고정한 상태로 압연한다. 이로써, 산화물 초전도 선재의 폭을 좁게 할 수 있다. 산화물 초전도 선재의 폭이 좁으면, 산화물 초전도 선재의 길이 방향 및 폭 방향의 양쪽에 대하여 수직 방향의 자장을 받은 경우에, 교류 손실이 작게 된다. 또한, 선재의 측면을 구속함으로써, 종래보다도 낮은 압하율이라 도 선재의 밀도를 높일 수 있어, 임계 전류값을 향상시킬 수 있다. 여기서, 선재의 측면 부분을 고정한 상태로 종래의 압하율로 압연하면, 선재에 걸리는 압력이 커져 선재가 파괴되어 버릴 우려가 있다. 그러나, 본 발명의 압하율은 종래보다도 낮기 때문에, 선재의 측면 부분을 고정한 상태로 압연하더라도, 선재가 파괴되지 않는다.
본 발명의 산화물 초전도 선재의 제조방법에 있어서 바람직하게는, 압연 공정 전에 선재를 꼬임(twist) 가공하는 공정을 추가로 구비하고 있다. 이것에 의해, 트위스트 선의 산화물 초전도 선재의 초전도 특성을 향상시킬 수 있다.
발명의 효과
본 발명의 산화물 초전도 선재의 제조방법에 의하면, 종래보다도 낮은 80% 이하의 압하율로 압연 공정을 실시함으로써, 원재료 분말을 피복하는 금속에 핀홀이 발생하기 어렵게 되어, 가압 분위기에서의 열처리에 의해서 공극이나 부풀기의 생성이 충분히 억제된다. 또한, 산화물 초전도 선재가 다심선인 경우에는, 원재료 분말끼리의 사이의 금속이 파괴되기 어렵게 되기 때문에, 산화물 초전도체와 금속의 계면 부분을 확보할 수 있어, 임계 전류값이 감소하기 어렵게 된다. 또한, 산화물 초전도체에 교류 전류를 흐르게 한 경우에 교류 손실이 증대하기 어렵게 된다. 한편, 가압 분위기에서 열처리할 때에 선재는 압축되기 때문에, 결과적으로 산화물 초전도체의 밀도를 높일 수 있다. 한편, 50% 이상의 압하율로 압연 공정을 실시함으로써, 원재료 분말의 밀도를 충분히 높일 수 있다. 이상에 의해, 산화물 초전도 선재의 초전도 특성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 산화물 초전도 선재의 구성을 모식적으로 나타내는 부분 단면 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시형태 1에 있어서의 산화물 초전도 선재의 제조 공정을 나타내는 그림이다.
도 3은 본 발명의 실시형태 1에 있어서의 선재의 압연 방법을 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도 4는 종래의 산화물 초전도 선재의 제조방법에 있어서의 압연 후의 선재의 구성을 모식적으로 나타내는 부분 단면 사시도이다.
도 5는 본 발명의 실시형태 2에 있어서의 산화물 초전도 선재의 제조 공정을 나타내는 그림이다.
도 6은 본 발명의 실시형태 3에 있어서의 선재의 압연 방법을 나타내는 그림이다.
도 7은 본 발명의 실시형태 4에 있어서의 산화물 초전도 선재의 구성을 개념적으로 나타내는 부분 단면 사시도이다.
도 8은 본 발명의 실시형태 4에 있어서의 산화물 초전도 선재의 제조 공정을 나타내는 그림이다.
도 9는 꼬임 가공의 양상을 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도 10은 본 발명의 실시형태 4에 있어서의 산화물 초전도 선재의 다른 구성 을 개념적으로 나타내는 단면도이다.
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1, 11, 21: 산화물 초전도 선재 1a, 11a, 100: 선재(다심선)
2, 12: 산화물 초전도체 필라멘트 3, 13: 쉬스부
12a, 102: 원재료 분말 13a, 103: 금속
14: 절연막 15: 롤
15a: 롤 표면 17: 고정 부재
18: 선재 측면 19: 선재 상면
20: 선재 하면 110: 핀홀
111: 파괴
발명을 실시하기 위한 최선의 형태
이하에 본 발명의 실시형태에 대하여, 도면에 기초하여 설명한다.
(실시형태 1)
도 1은, 산화물 초전도 선재의 구성을 모식적으로 나타내는 부분 단면 사시도이다. 도 1을 참조하여, 예컨대 다심선의 산화물 초전도 선재에 대하여 설명한다. 산화물 초전도 선재(1)는, 길이 방향으로 신장하는 복수개의 산화물 초전도체 필라멘트(2)와, 그들을 피복하는 쉬스(sheath)부(3)를 갖고 있다. 복수개의 산화물 초전도체 필라멘트(2) 각각의 재질은, 예컨대 Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O계의 조성이 바람직하고, 특히, (비스무트와 납):스트론튬:칼슘:구리의 원자비가 거의 2:2:2:3의 비율로 근사되어 표시되는 Bi2223상을 포함하는 재질이 알맞다. 쉬스부(3)의 재질은, 예컨대 은이나 은 합금 등의 금속으로 되어 있다.
한편, 상기에서는 다심선에 대하여 설명했지만, 1개의 산화물 초전도체 필라멘트(2)가 쉬스부(3)에 의해 피복되는 단심선 구조의 산화물 초전도 선재가 사용되라도 좋다.
다음으로, 상기 산화물 초전도 선재의 제조방법에 대하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시형태 1에 있어서의 산화물 초전도 선재의 제조 공정을 나타내는 그림이다. 도 2를 참조하여, 우선, 산화물 초전도체의 원재료 분말(전구체)을 금속관에 충전한다(단계 S1). 이 산화물 초전도체의 원재료 분말은, 예컨대 Bi2223상을 포함하는 재질로 되어 있다. 한편, 금속관으로서는 열 전도율이 높은 은이나 은 합금 등을 이용하는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 초전도체가 켄칭 현상을 부분적으로 일으킨 경우에 발생한 열을 금속관으로부터 빠르게 제거할 수 있다.
다음으로, 원하는 직경까지 상기 선재를 신선 가공하여, 전구체를 심재로 하여 은 등의 금속으로 피복된 단심선을 제작한다(단계 S2). 다음으로, 이 단심선을 다수 묶어, 예컨대 은 등의 금속으로 이루어진 금속관 내에 감합(嵌合; 끼워 맞춤)한다(다심 감합: 단계 S3). 이것에 의해, 원재료 분말을 심재로서 다수 갖는 다심(multifilamentary) 구조의 선재(이하, 간단히 선재라고 적을 수 있음)가 얻어진다.
다음으로, 원하는 직경까지 다심 구조의 선재를 신선 가공하고, 원재료 분말이 예컨대 은 등의 쉬스부에 설치된 다심선을 제작한다(단계 S4). 이것에 의해, 산화물 초전도 선재의 원재료 분말을 금속으로 피복한 형태를 갖는 다심선의 선재가 얻어진다.
다음으로, 이 선재를 압연한다(단계 S5). 도 3은 본 발명의 실시형태 1에 있어서의 선재의 압연 방법을 모식적으로 나타내는 단면도이다. 한편, 도 3은 선재의 길이 방향을 따른 단면도이다. 도 3을 참조하여, 압연은, 회전하는 복수(보통 2개)의 롤(15) 사이에 판상 또는 막대상의 재료를 통과시켜, 그 두께 또는 단면적을 감소시키고, 동시에 단면을 목적하는 형상으로 성형하는 가공법이다. 압연시에, 다심선의 선재(1a)는 롤(15)로부터의 마찰력에 의해서 복수의 롤(15) 사이에 끌려 들어가고, 거기서 롤(15)의 표면(15a)에서의 압축력을 받아 변형한다. 이 압연에 의해서 원재료 분말의 밀도가 높아진다.
본 실시형태에 있어서는, 선재(1a)의 압연(단계 S5)시에, 50% 이상 80% 이하의 압하율로 선재(1a)를 압연한다. 또한, 바람직하게는 50% 이상 70% 이하, 보다 바람직하게는 50% 이상 60% 이하의 압하율로 선재(1a)를 압연한다. 한편, 압하율(%)은 이하의 식으로 정의되는 것이다.
다음으로, 도 2를 참조하여 가압 분위기로 선재를 열처리한다(단계 S6). 이 열처리는, 예컨대 1MPa 이상 50MPa 미만의 가압 분위기에서 약 830℃의 온도로 행하여진다. 열처리에 의해서 원재료 분말로부터 산화물 초전도상이 생성되어, 산화물 초전도체 필라멘트(2)(도 1)로 된다. 이상의 제조 공정에 의해, 도 1에 나타내는 산화물 초전도 선재가 얻어진다.
본원 발명자들은, 50% 이상 80% 이하의 압하율로 선재를 압연함으로써 높은 초전도 특성을 갖는 산화물 초전도 선재가 얻어짐을 발견했다. 이에 대하여 이하에 설명한다.
도 4는, 종래의 산화물 초전도 선재의 제조방법에 있어서의 압연 후의 선재의 구성을 모식적으로 나타내는 부분 단면 사시도이다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 종래의 선재(100)에 있어서는, 84%를 넘는 높은 압하율로 선재를 압연하였기 때문에, 원재료 분말(102)을 피복하는 금속(103)에 핀홀(110)이 발생하여, 열처리시에, 가압되고 있는 기체가 핀홀(110)로부터 선재(100) 내부에 침입하고 있었다. 또한, 높은 압하율로 선재를 압연하였기 때문에, 선재(100)를 압연 가공할 때에, 원재료 분말(102)끼리의 사이의 금속(103)에 파괴(111)가 생겨, 산화물 초전도체 필라멘트동상이 서로 접촉하기 쉬웠다.
이와는 대조적으로, 본 실시형태의 제조방법에서는, 압연(단계 S5) 후의 원재료 분말의 밀도는 종래보다도 낮게 되지만, 가압 분위기에서 열처리할 때(단계 S6)에 선재를 압축하여, 원재료 분말의 밀도를 높인다. 따라서, 종래의 압하율보다도 낮은 80% 이하의 압하율로 선재를 압연하더라도, 결과적으로 초전도 필라멘트의 밀도를 높게 할 수 있다.
또한, 본 실시형태의 제조방법에서는, 종래의 압하율보다 낮은 8O% 이하의 압하율로 선재를 압연하기 때문에, 선재를 압연할 때에, 원재료 분말을 피복하는 금속에 핀홀이 발생하기 어렵게 된다. 이것 때문에, 가압 분위기에서의 열처리에 의해서 공극이나 부풀기의 생성이 충분히 억제된다. 또한, 종래보다도 낮은 압하율로 압연하기 때문에, 원재료 분말끼리의 사이의 금속에 파괴가 생기기 어렵게 되어, 산화물 초전도체 필라멘트끼리가 서로 접촉하기 어렵게 된다. 이 때문에, 초전도 특성이 저하되지 않고, 산화물 초전도체 필라멘트에 교류 전류를 흐르게 한 경우에 교류 손실이 증대하지 않는다. 이상에 의해, 초전도 특성을 향상시킬 수 있다.
상기 제조방법에 있어서 바람직하게는, 압연(단계 S5)시의 선재의 압하율은 70% 이하이며, 보다 바람직하게는 60% 이하이다. 이에 의해, 쉬스부(3)에 핀홀이 한층 더 발생하기 어렵게 된다. 또한, 산화물 초전도체 필라멘트(2)끼리의 사이의 쉬스부(3)가 한층 더 파괴되기 어렵게 된다.
(실시형태 2)
도 5는, 본 발명의 실시형태 2에 있어서의 산화물 초전도 선재의 제조 공정을 나타내는 그림이다. 도 5를 참조하여, 본 실시형태에서는, 선재를 압연하고(1차 압연: 단계 S5), 가압 분위기에서 선재를 열처리하고(1회째 열처리: 단계 S6), 그 후, 다시 선재를 압연한다(2차 압연: 단계 S7). 이 때의 압하율에 특별히 제한은 없다. 이와 같이 2차 압연을 실시하는 것에 의해, 1회째 열처리에서 생긴 보이드(void)가 제거된다.
계속해서, 예컨대 820℃의 온도로 선재를 열처리한다(2회째 열처리: 단계 S8). 이 때, 가압 분위기에서 열처리하는 것이 바람직하지만, 대기압 중에서 열처리할 수도 있다. 2회째 열처리에서는, 산화물 초전도상의 소결이 진행하는 동시에 산화물 초전도상이 단상(single phase)화된다. 이상의 제조 공정에 의해, 도 1에 나타내는 산화물 초전도 선재가 얻어진다.
한편, 이들 외의 산화물 초전도 선재의 제조방법은, 도 2에 나타내는 실시형태 1의 제조방법과 마찬가지이기 때문에, 그 설명은 생략한다.
본 실시형태의 산화물 초전도 선재의 제조방법에 있어서는, 열처리(단계 S6) 후에 선재를 압연하고(단계 S7), 그 후에 선재를 열처리한다(단계 S8). 이에 의해, 산화물 초전도 선재의 소결 밀도를 향상시킬 수 있어, 초전도 특성을 한층 더 향상시킬 수 있다.
한편, 본 실시형태에서는, 압연과 열처리를 교대로 각각 2회씩 실시하는 경우에 대하여 나타내었지만, 본 발명에 있어서 압연과 열처리의 회수에 제한은 없고, 추가로 압연과 열처리를 반복하더라도 좋다.
(실시형태 3)
도 6은, 본 발명의 실시형태 3에 있어서의 선재의 압연 방법을 나타내는 그림이다. 한편, 도 6은 선재의 길이 방향에 수직한 단면도이다. 도 6을 참조하여, 본 실시형태에 있어서는, 압연(단계 S5)시에, 선재(1a)의 측면(18)을 고정 부재(17)의 각각에 고정한 상태로 압연한다. 여기서, 선재(1a)의 측면(18)이란, 선재(1a)의 상면(19) 및 하면(20)이 롤(15)(도 3)로부터의 압력을 받는 경우에, 상 면(19) 및 하면(20)과 거의 직교하게 되어 있는 선재(1a)의 면을 가리키고 있다.
한편, 이들 외의 산화물 초전도 선재의 제조방법은, 도 2에 나타내는 실시형태 1 또는 도 5에 나타내는 실시형태 2의 제조방법과 마찬가지이기 때문에, 그 설명은 생략한다.
본 실시형태의 산화물 초전도 선재의 제조방법에 있어서는, 압연(단계 S5)시에, 선재(1a)의 측면(18)을 고정한 상태로 압연한다. 이것에 의해, 산화물 초전도 선재(1)의 폭(도 6 중 가로 방향의 길이)을 좁게 할 수 있다. 산화물 초전도 선재(1)의 폭이 좁으면, 산화물 초전도 선재(1)의 길이 방향 및 폭 방향의 양쪽에 대하여 수직 방향(도 6 중 세로 방향)의 자장을 받은 경우에, 교류 손실이 작게 된다.
(실시형태 4)
실시형태 1 내지 3에서는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 산화물 초전도체 필라멘트(2)가 산화물 초전도 선재(1)의 길이 방향으로 연장되어 있고, 산화물 초전도 선재(1)가 테이프 형상인 경우의 제조방법에 대하여 설명했다. 도 1에 나타내는 산화물 초전도 선재는, 높은 임계 전류 밀도를 갖는다는 특징이 있다. 그러나 본 발명의 제조방법은, 도 1에 나타내는 산화물 초전도 선재의 제조방법 이외에, 예컨대 트위스트선(twisted wire)의 산화물 초전도 선재의 제조방법에도 적용할 수 있다. 본 실시형태에서는, 트위스트선의 산화물 초전도 선재의 제조방법에 대하여 설명한다.
도 7은 본 발명의 실시형태 4에 있어서의 산화물 초전도 선재의 구성을 개념 적으로 나타내는 부분 단면 사시도이다. 도 7에 나타낸 바와 같이, 트위스트선의 산화물 초전도 선재(11)는, 길이 방향으로 신장하는 복수개의 산화물 초전도체 필라멘트(12)와, 그들을 피복하는 쉬스부(13)를 갖고 있다. 산화물 초전도체 필라멘트(12)는, 산화물 초전도 선재(11)의 길이 방향을 따라 나선 형상으로 꼬여 있다. 이 트위스트선의 산화물 초전도 선재(11)의 제조방법에 대하여 이하에 설명한다.
도 8은 본 발명의 실시형태 4에 있어서의 산화물 초전도 선재의 제조 공정을 나타내는 그림이다. 도 8을 참조하여, 트위스트선의 산화물 초전도 선재(11)의 제조방법에서는, 신선 가공에 의해 다심선을 제작한(단계 S4) 후로서 1차 압연(단계 S5) 전에, 선재에 꼬임선 가공(단계 S4a)을 실시한다.
도 9는 꼬임 가공의 양상을 모식적으로 나타내는 단면도이다. 도 9를 참조하여, 원재료 분말(12a)과 금속(13a)을 갖는 다심선의 선재(11a)가 나타내어져 있다. 선재(11a)는, 예컨대 꼬임 피치가 각각 500mm, 100mm, 50mm, 10mm로 되도록 꼬임 가공된다. 그리고, 꼬임 가공 후에 선재를 압연한다(단계 S5).
한편, 이들 외의 제조방법은 실시형태 3의 제조방법과 거의 같기 때문에, 그 설명은 생략한다.
본 실시형태의 산화물 초전도 선재의 제조방법에 있어서는, 선재를 압연하기(단계 S5) 전에 선재를 꼬임 가공한다(단계 S4a).
본 실시형태의 산화물 초전도 선재(11)의 제조방법에 의하면, 트위스트선의 산화물 초전도 선재(11)를 얻을 수 있다. 트위스트선의 산화물 초전도 선재는, 교류 손실을 저감할 수 있다는 효과를 갖고 있다. 본 발명을 트위스트선의 산화물 초전도 선재의 제조방법에 적용함으로써, 트위스트선의 산화물 초전도 선재에 부풀기가 생성하는 것을 억제할 수 있고, 임계 전류 밀도를 향상시킬 수 있다. 특히, 압연(단계 S5)시에, 트위스트선의 선재의 측면을 고정한 상태로 압연함으로써 교류 손실을 크게 저감할 수 있다.
또한, 상기 제조방법에 의하면, 산화물 초전도체 필라멘트(12)끼리의 사이의 금속이 파괴되기 어렵게 되기 때문에, 산화물 초전도체 필라멘트(12)끼리의 간격을 좁혀, 산화물 초전도 선재(11)에 포함되는 산화물 초전도체 필라멘트(12)의 개수를 늘릴 수 있다. 이에 의해, 교류 손실을 저감하는 효과를 얻을 수 있다.
한편, 본 실시형태에서는, 도 7에 나타내는 구조의 트위스트선의 산화물 초전도 선재(11)에 대하여 나타내었다. 그러나, 본 발명은 이러한 경우 외에, 예컨대 도 10에 나타내는 구성의 산화물 초전도 선재(21)에 관해서도 적용할 수 있다. 도 10을 참조하여, 트위스트선의 산화물 초전도 선재(21)는, 복수의 산화물 초전도체 필라멘트(12), 쉬스부(13), 및 절연막(14)을 구비하고 있다. 복수의 산화물 초전도체 필라멘트(12)의 각각의 주위를 절연막(14)이 덮고 있고, 절연막(14)을 쉬스부(13)가 피복하고 있다. 이러한 산화물 초전도 선재(21)에 있어서는, 절연막(14)이 전기 배리어로서 기능하기 때문에, 교류 손실을 한층 더 저감할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 대하여 설명한다.
(실시예 1)
본 실시예에서는, 압하율 80% 이하로 선재를 압연하는(단계 S5) 효과를 조사했다. 구체적으로는, 실시형태 1에 나타내는 제조방법을 이용하여 도 1에 나타내는 산화물 초전도 선재를 제작했다. 단, 압연(단계 S5)시에는, 압하율을 50% 내지 85%의 범위로 변화시키고, 직경 1.6mm의 둥근 선의 선재를 각각 압연했다. 또한, 열처리(단계 S6)시에는, 온도 830℃, 전 압력 30MPa(가압 분위기), 산소 분압 8kPa의 분위기에서 선재를 30시간 열처리했다. 이렇게 하여 수득된 산화물 초전도 선재에 대하여 임계 전류값(A)을 측정했다. 이 결과를 표 1에 나타낸다.
표 1에 나타낸 바와 같이, 압하율이 85%인 경우에는 임계 전류값이 105A였던데 대하여, 압하율이 80%인 경우에는 임계 전류값이 115A이며, 압하율이 70%인 경우에는 임계 전류값이 118A였다. 또한, 압하율이 60%인 경우에는 임계 전류값이 115A이며, 압하율이 50%인 경우에는 임계 전류값이 110A였다. 이상의 결과로부터, 압하율을 50% 이상 80% 이하로 함으로써 초전도 특성이 향상됨을 알 수 있다. 또한, 바람직하게는 60% 이상, 보다 바람직하게는 70% 이상으로 함으로써, 초전도 특성이 한층 더 향상됨을 알 수 있다.
(실시예 2)
본 실시예에서는, 2차 압연(단계 S7) 및 2회째 열처리(단계 S8)의 효과를 조사했다. 구체적으로는, 실시형태 2에 나타내는 제조방법을 이용하여 도 1에 나타내는 산화물 초전도 선재를 제작했다. 단, 1차 압연(단계 S5)시에는, 압하율을 50% 내지 85%의 범위로 변화시키고, 직경 1.6mm의 둥근 선의 선재를 각각 압연했다. 또한, 1회째 열처리(단계 S6)시에는, 온도 830℃, 전 압력 30MPa(가압 분위기), 산소 분압 8kPa의 분위기에서 선재를 30시간 열처리했다. 또한, 2차 압연(단계 S7)시에는, 압하율(선재의 2차 압연 직전의 두께를 기준으로 한 압하율)을 5%로 설정하여 선재를 압연했다. 또한, 2회째 열처리(단계 S8)시에는, 온도 820℃, 전 압력 30MPa(가압 분위기), 산소 분압 8kPa의 분위기에서 선재를 50시간 열처리했다. 이렇게 하여 수득된 산화물 초전도 선재에 대하여 임계 전류값(A)을 측정했다. 이 결과를 표 2에 나타낸다.
표 2에 나타낸 바와 같이, 압하율이 85%인 경우에는 임계 전류값이 130A였던데 대하여, 압하율이 80%인 경우에는 임계 전류값이 140A이며, 압하율이 70%인 경우에는 임계 전류값이 144A였다. 또한, 압하율이 60%인 경우에는 임계 전류값이 141A이며, 압하율이 50%인 경우에는 임계 전류값이 136A였다. 이상의 결과로부터, 압하율을 50% 이상 80% 이하로 함으로써 임계 전류값이 향상됨을 알 수 있다. 또한, 실시예 1의 결과와 본 실시예의 결과를 비교하여, 2차 압연(단계 S7) 및 2회째 열처리(단계 S8)를 실시함으로써 초전도 특성이 더욱 향상됨을 알 수 있다.
(실시예 3)
본 실시예에서는, 열처리를 가압 분위기에서 실시하는 것의 효과를 조사했다. 구체적으로는, 1회째 열처리(단계 S6)를 전 압력 0.1MPa(대기압 분위기)에서 행하고, 2회째 열처리(단계 S8)를 전 압력 30MPa(가압 분위기)에서 실시했다. 또한, 압연(단계 S5)시에는 압하율을 50% 내지 85%의 범위로 변화시키고, 직경 1.6mm의 둥근 선의 선재를 각각 압연했다. 한편, 이들 외의 산화물 초전도 선재의 제조방법은 실시예 2의 제조방법과 마찬가지로 했다. 이렇게 하여 수득된 산화물 초전도 선재에 대하여 임계 전류값(A)을 측정했다. 이 결과를 표 3에 나타낸다.
표 3에 나타낸 바와 같이, 압하율이 85%인 경우에는 임계 전류값이 120A이며, 압하율이 80%인 경우에는 임계 전류값이 130A였다. 또한, 압하율이 70%인 경우에는 임계 전류값이 120A이며, 압하율이 60%인 경우에는 임계 전류값이 90A이며, 압하율이 50%인 경우에는 임계 전류값이 60A였다. 이상의 결과로부터, 가압 분위기가 아닌 대기압 분위기에서 열처리를 한 경우에는, 압하율을 50% 이상 80% 이하로 하여도 임계 전류값은 향상되지 않음을 알 수 있다. 따라서, 실시예 2의 결과와 본 실시예의 결과를 비교하여, 산화물 초전도 선재의 초전도 특성을 향상시키기 위해서는, 압하율 80% 이하로 선재를 압연하고, 또한 선재의 열처리를 가압 분위기에서 행해야 함을 알 수 있다.
(실시예 4)
본 실시예에서는, 선재의 측면을 고정한 상태로 압연하는 효과를 조사했다. 구체적으로는, 실시형태 3에 나타내는 제조방법을 이용하여 도 1에 나타내는 산화물 초전도 선재를 제작했다. 단, 압연(단계 S5)시에는, 선재의 폭을 고정한 상태로 압하율을 50% 내지 85%의 범위로 변화시키고, 직경 1.6mm의 둥근 선의 선재를 각각 압연했다. 또한, 1회째 열처리(단계 S6)시에는, 온도 830℃, 전 압력 0.1MPa(대기압 분위기), 산소 분압 8kPa의 분위기에서 선재를 30시간 열처리했다. 또한, 2차 압연(단계 S7)시에는, 압하율을 10%로 설정하여 선재를 압연했다. 또한, 2회째 열처리(단계 S8)시에는, 온도 820℃, 전 압력 30MPa(가압 분위기), 산소 분압 8kPa의 분위기에서 선재를 50시간 열처리했다. 이렇게 하여 수득된 산화물 초전도 선재에 대하여 임계 전류값(A)을 측정했다. 이 결과를 표 4에 나타낸다.
표 4에 나타낸 바와 같이, 압하율이 85%인 경우에는 임계 전류값이 90A였던데 대하여, 압하율이 80%인 경우에는 임계 전류값이 110A이며, 압하율이 70%인 경우에는 임계 전류값이 125A였다. 또한, 압하율이 60%인 경우에는 임계 전류값이 120A이며, 압하율이 50%인 경우에는 임계 전류값이 90A였다. 이상의 결과로부터, 압하율을 50% 이상 80% 이하로 함으로써 초전도 특성이 향상됨을 알 수 있다. 또한, 실시예 2의 결과와 본 실시예의 결과를 비교하여, 선재의 측면을 고정한 상태로 압연함으로써 초전도 특성이 향상됨을 알 수 있다.
(실시예 5)
본 실시예에서는, 트위스트선의 산화물 초전도 선재의 측면을 고정한 상태로 압연하는 효과를 조사했다. 구체적으로는, 실시형태 4에 나타내는 제조방법을 이용하여 도 7에 나타내는 트위스트선의 산화물 초전도 선재(11)를 제작했다. 단, 꼬임선 가공(단계 S4a)시에는, 원재료 분말(12a)(산화물 초전도체 필라멘트(12))의 개수를 127개로 한 선재(11a)를 트위스트 피치 8mm로 꼬임선 가공했다. 한편, 이들 외의 산화물 초전도 선재의 제조방법은, 실시예 4의 제조방법과 마찬가지로 행했다. 이렇게 하여 수득된 산화물 초전도 선재에 대하여, 임계 전류값(A) 및 교류 손실을 측정했다. 교류 손실에 관해서는, 80%의 압하율로 압연한 경우의 교류 손실을 100%로 했다. 이 결과를 표 5에 나타낸다.
표 5에 나타낸 바와 같이, 압하율이 85%인 경우에는 임계 전류값이 80A였던데 대하여, 압하율이 80%인 경우에는 임계 전류값이 105A이며, 압하율이 70%인 경우에는 임계 전류값이 121A였다. 또한, 압하율이 60%인 경우에는 임계 전류값이 117A이며, 압하율이 50%인 경우에는 임계 전류값이 88A였다. 또한, 교류 손실에 관해서는, 압하율이 70%인 경우에는 30%며, 압하율이 60%인 경우에는 20%며, 압하율이 50%인 경우에는 15%였다. 이상의 결과로부터, 압하율을 70% 이하, 바람직하게는 60% 이하로 함으로써 교류 손실이 크게 저감됨을 알 수 있다. 이상의 결과로부터, 트위스트선의 산화물 초전도 선재의 측면을 고정한 상태로 압연함으로써 초전도 특성이 더욱 향상됨을 알 수 있다.
이상에서 개시된 실시형태 및 실시예는 모든 점에서 예시이며, 제한적인 것이 아니라고 간주되어야 한다. 본 발명의 범위는, 이상의 실시형태 및 실시예가 아니라 청구의 범위에 의해서 나타내어지며, 청구의 범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 수정이나 변형을 포함하는 것으로 의도된다.
Claims (6)
- 산화물 초전도체의 원재료 분말을 금속으로 피복한 형태를 갖는 선재를 제작하는 공정(S1 내지 S4),상기 선재를 압연하는 압연 공정(S5), 및상기 압연 공정 후에 상기 선재를 가압 분위기에서 열처리하는 열처리 공정(S6)을 구비하고,상기 압연 공정에서의 상기 선재의 압하율은 50% 이상 80% 이하인, 산화물 초전도 선재(1)의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 압연 공정에서의 상기 선재의 압하율은 60% 이상인 산화물 초전도 선재의 제조방법.
- 제 2 항에 있어서,상기 압연 공정(S5)에서의 상기 선재의 압하율은 70% 이상인 산화물 초전도 선재(1)의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 열처리 공정(S6) 후에 상기 선재를 압연하는 재압연 공정(S7), 및상기 재압연 공정 후에 상기 선재를 열처리하는 재열처리 공정(S8)을 추가로 구비하는 산화물 초전도 선재(1)의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 압연 공정(S5)에서, 상기 선재(1a)의 측면(18)을 고정한 상태로 압연하는 산화물 초전도 선재(1)의 제조방법.
- 제 5 항에 있어서,상기 압연 공정(S5) 전에 상기 선재(11a)를 꼬임(twist) 가공하는 공정(S4a)을 추가로 구비하는 산화물 초전도 선재(1)의 제조방법.
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