KR20200070229A

KR20200070229A - 초전도 안정화재, 초전도선 및 초전도 코일

Info

Publication number: KR20200070229A
Application number: KR1020207008278A
Authority: KR
Inventors: 고세이 후쿠오카; 유키 이토; 가즈나리 마키
Original assignee: 미쓰비시 마테리알 가부시키가이샤
Priority date: 2017-10-30
Filing date: 2018-10-30
Publication date: 2020-06-17
Also published as: TWI775976B; WO2019088080A1; US20200340079A1; JPWO2019088080A1; CN111279002B; CN111279002A; JP6642763B2; US11613794B2; TW201928073A; EP3705589A1; KR102548029B1; EP3705589A4

Abstract

초전도선에 사용되는 초전도 안정화재로서, Ca, Sr, Ba, 희토류 원소에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소를 합계로 3 질량ppm 이상 100 질량ppm 이하의 범위 내로 함유하고, 잔부가 Cu 및 불가피 불순물로 된 구리재로 이루어지고, 가스 성분인 O, H, C, N, S 를 제외한 상기 불가피 불순물의 농도의 총계가 5 질량ppm 이상 100 질량ppm 이하로 되어 있고, 반연화점 온도가 200 ℃ 이하, 비커스 경도가 55 Hv 이상, 잔류 저항비 (RRR) 가 50 이상 500 이하이다.

Description

초전도 안정화재, 초전도선 및 초전도 코일

본 발명은, 초전도선에 사용되는 초전도 안정화재, 이 초전도 안정화재를 구비한 초전도선, 및 이 초전도선으로 이루어지는 초전도 코일에 관한 것이다.

본원은, 2017년 10월 30일에 일본에 출원된 일본 특허출원 2017-209207호에 의거하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.

초전도선은, 예를 들어 MRI, NMR, 입자 가속기, 리니어 모터카, 및 전력 저장 장치 등의 분야에서 사용되고 있다. 상기 초전도선은, Nb-Ti 합금, Nb₃Sn 등의 초전도체로 이루어지는 복수의 소선 (素線) 을, 초전도 안정화재를 개재시켜 묶은 다심 (多芯) 구조를 갖고 있다. 초전도체와 초전도 안정화재를 적층한 테이프 형상의 초전도선도 제공되고 있다. 그리고 안정성과 안전성을 높이기 위해서, 순구리로 이루어지는 채널 부재를 구비한 초전도선도 제공되고 있다.

상기 서술한 초전도선에서는, 초전도체의 일부에 있어서 초전도 상태가 깨진 경우에는, 저항이 부분적으로 크게 상승하여 초전도체의 온도가 상승하고, 초전도체 전체가 임계 온도 이상으로 되어 상전도 (常傳導) 상태로 전이될 우려가 있다. 그래서, 초전도선에서는, 구리 등의 비교적 저항이 낮은 초전도 안정화재를, 초전도체에 접촉하도록 배치하고 있어, 초전도 상태가 부분적으로 깨진 경우에는, 초전도체를 흐르고 있던 전류를 초전도 안정화재에 일시적으로 우회시켜 두고, 그 사이에 초전도체를 냉각시켜 초전도 상태로 복귀시키는 구조로 되어 있다.

이런 종류의 초전도선은, Nb-Ti, Nb₃Sn 합금으로 대표되는 초전도체를 포함하는 소선과, 상기 소선과 접촉하도록 가공된 구리재로 이루어지는 초전도 안정화재를 갖고, 복수의 초전도체를 포함하는 소선과 초전도 안정화재를 하나의 구조체가 되도록 가공이 실시된다. 상기 가공은 압출, 압연, 신선 (伸線), 인발, 및 트위스트를 포함하는 방법에 의해 실행된다.

상기 서술한 초전도 안정화재에 있어서는, 전류를 효율적으로 우회시키기 위해서, 극저온에서의 저항이 충분히 낮은 것이 요구된다. 극저온에서의 전기 저항을 나타내는 지표로서는, 잔류 저항비 (RRR) 가 널리 사용된다. 이 잔류 저항비 (RRR) 는, 상온 (293K) 에서의 저항 (ρ_293K) 과 액체 헬륨 온도 (4.2K) 에서의 저항 (ρ_4.2K) 의 비 (ρ_293K/ρ_4.2K) 이고, 이 잔류 저항비 (RRR) 가 높을수록 초전도 안정화재로서 우수한 성능을 발휘한다.

높은 잔류 저항비 (RRR) 를 갖는 구리 재료로서는, 불순물 원소를 극한까지 저감시킨 순도 99.9999 mass％ 이상인 극고순도 구리 (6N Cu) 등을 들 수 있다.

특허문헌 1 에는, 특정 원소 (Fe, P, Al, As, Sn 및 S) 의 함유량을 규정한 불순물 농도가 매우 낮은 고순도 구리가 제안되어 있다.

특허문헌 2 에서는, 산소 농도가 낮은 고순도 구리에 Zr 을 미량 첨가한 Cu 합금이 제안되어 있다.

그러나, 불순물 원소를 극한까지 저감시킨 초고순도 구리에서는, 구리를 고순도화시키기 위해서 제조 프로세스가 매우 복잡해져, 제조 비용이 대폭적으로 상승된다는 등의 문제가 있었다.

특허문헌 1 에서는, 특정 원소 (Fe, P, Al, As, Sn 및 S) 의 함유량을 0.1 ppm 미만으로 한정하고 있지만, 이들 원소를 0.1 ppm 미만으로까지 저감시키는 것은 용이하지 않고, 역시 제조 프로세스가 복잡해진다는 등의 문제가 있었다.

특허문헌 2 에서는, 산소 및 Zr 의 함유량을 규정하고 있지만, 산소 및 Zr 의 함유량을 제어하는 것은 어렵고, 높은 잔류 저항비 (RRR) 를 갖는 구리 합금을 안정적으로 제조하기가 곤란하다는 등의 문제가 있었다.

특허문헌 3 에는, Ca, Sr, Ba, 희토류 원소에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소를 첨가함으로써, 순도를 필요 이상으로 높이지 않고, 잔류 저항비 (RRR) 가 충분히 높은 구리 재료를 얻는 기술이 제공되었다.

일본 공개특허공보 2011-236484호 일본 공개특허공보 평05-025565호 일본 공개특허공보 2016-125115호

그런데, 상기 서술한 초전도 안정화재에서는, 초전도선 등의 신선 가공에서 크게 변형됨으로써, 실질적인 가공 조직으로 되어, 전위 등의 격자 결함이 현저하게 증가하고, 결과적으로 저항이 증가하게 되어, 잔류 저항비 (RRR) 가 저하되는 경우가 있었다. 그래서, 가공 후에 열처리를 실시함으로써 재결정 조직으로 하여 모상 중의 격자 결함을 충분히 저감시킴으로써, 잔류 저항비 (RRR) 를 회복시킬 필요가 있다.

예를 들어 Nb-Ti 계 초전도체에서는, 열처리 온도가 지나치게 높으면 재결정에 의해 초전도체의 특성이 저하될 우려가 있기 때문에, 200 ℃ 이하와 같은 저온 조건에서 열처리를 실시하는 경우가 있다. 상기 서술한 초전도 안정화재에서는, 200 ℃ 이하의 저온 조건에서도 충분히 모상 중의 격자 결함이 저감되는 것, 즉 재결정 온도가 낮은 것이 요구된다.

최근에는 초전도선에 대하여 종래보다 고자장력으로 사용하는 것이 요구된다. 고자장력의 환경에서 사용한 경우에는, 초전도선이 미소하게 움직이며 진동하여, 마찰열이 발생하고 초전도 상태가 깨질 우려가 있었다. 그래서, 고자장력 환경하에서 사용되는 초전도 안정화재에서는, 고자장력의 환경하에서도 진동이 발생하지 않도록 높은 경도가 요구된다.

본 발명은 전술한 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 재결정 온도가 낮고 또한 높은 경도를 가지며, 고자장력의 환경하에서 사용하기에 적합한 초전도 안정화재, 이 초전도 안정화재를 구비한 초전도선, 및 이 초전도선으로 이루어지는 초전도 코일을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 초전도 안정화재는, 초전도선에 사용되는 초전도 안정화재로서, Ca, Sr, Ba, 희토류 원소에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소를 합계로 3 질량ppm 이상 100 질량ppm 이하의 범위 내로 함유하고, 잔부가 Cu 및 불가피 불순물로 된 구리재로 이루어지고, 가스 성분인 O, H, C, N, S 를 제외한 상기 불가피 불순물의 농도의 총계가 5 질량ppm 이상 100 질량ppm 이하로 되어 있고, 반 (半) 연화점 온도가 200 ℃ 이하, 비커스 경도가 55 Hv 이상, 잔류 저항비 (RRR) 가 50 이상 500 이하이다.

상기 서술한 구성을 갖는 초전도 안정화재에 따르면, 구리재에 Ca, Sr, Ba, 희토류 원소에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소를 합계로 3 질량ppm 이상 100 질량ppm 이하의 범위 내로 함유시키고 있으므로, 구리 중의 S, Se, Te 가 화합물로서 고정되어, 잔류 저항비 (RRR) 를 향상시킬 수 있다.

또한, 가스 성분인 O, H, C, N, S 를 제외한 상기 불가피 불순물의 농도의 총계가 5 질량ppm 이상 100 질량ppm 이하로 되어 있으므로, 과도하게 구리의 고순도화를 도모할 필요가 없고, 제조 프로세스가 간이해져, 제조 비용을 저감시킬 수 있다.

본 발명의 초전도 안정화재에서는, 반연화점 온도가 200 ℃ 이하로 되어 있으므로, 200 ℃ 이하의 저온 조건에서 열처리를 실시한 경우에도, 재결정에 의해 모상 중의 격자 결함을 충분히 저감시킬 수 있어, 잔류 저항비 (RRR) 를 충분히 회복할 수 있다.

또한, 비커스 경도가 55 Hv 이상으로 되어 있으므로, 고자장력의 환경하에서 사용한 경우에도, 초전도선이 진동하는 것을 억제할 수 있어, 마찰열의 발생을 억제할 수 있다.

또한, 잔류 저항비 (RRR) 가 50 이상 500 이하로 되어 있으므로, 극저온에서의 저항값이 충분히 낮아, 초전도체의 초전도 상태가 깨졌을 때에 전류를 충분히 우회시킬 수 있어, 초전도 안정화재로서 특히 우수하다.

본 발명의 초전도 안정화재에서는, 상기 불가피 불순물인 Fe 의 함유량이 10 질량ppm 이하, Ni 의 함유량이 10 질량ppm 이하, As 의 함유량이 5 질량ppm 이하, Ag 의 함유량이 50 질량ppm 이하, Sn 의 함유량이 4 질량ppm 이하, Sb 의 함유량이 4 질량ppm 이하, Pb 의 함유량이 6 질량ppm 이하, Bi 의 함유량이 2 질량ppm 이하, P 의 함유량이 3 질량ppm 이하로 되어 있는 것이 바람직하다. 불가피 불순물 중에서도 Fe, Ni, As, Ag, Sn, Sb, Pb, Bi, P 와 같은 특정 불순물의 원소는, 잔류 저항비 (RRR) 를 저하시키는 작용을 가지고 있다. 이들 원소의 함유량을 상기 서술한 바와 같이 규정함으로써, 확실하게 잔류 저항비 (RRR) 를 향상시킬 수 있다.

본 발명의 초전도 안정화재에서는, S, Se, Te 의 합계 함유량 (X 질량ppm) 과, Ca, Sr, Ba, 희토류 원소에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소의 합계 함유량 (Y 질량ppm) 의 비 (Y/X) 가 0.5 ≤ Y/X ≤ 20 인 범위 내로 되어 있는 것이 바람직하다. 이 경우, S, Se, Te 의 합계 함유량 (X 질량ppm) 과, Ca, Sr, Ba, 희토류 원소에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소의 합계 함유량 (Y 질량ppm) 의 비 (Y/X) 가 상기 서술한 범위 내로 되어 있으므로, 구리 중의 S, Se, Te 를 화합물로서 확실하게 고정시킬 수 있어, S, Se, Te 에 의한 잔류 저항비 (RRR) 의 저하를 확실하게 억제할 수 있게 된다.

본 발명의 초전도 안정화재에서는, Ca, Sr, Ba, 희토류 원소에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소와 S, Se, Te 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 원소를 함유하는 화합물이 존재하고 있는 것이 바람직하다. 이 경우, 구리 중에 존재하는 S, Se, Te 가, Ca, Sr, Ba, 희토류 원소에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소와의 화합물에 의해 확실하게 고정되어 있어, S, Se, Te 에 의한 잔류 저항비 (RRR) 의 저하를 확실하게 억제할 수 있다.

본 발명의 초전도선은, 초전도체를 포함하는 소선과 상기 서술한 초전도 안정화재를 구비하고 있다. 이 초전도선에서는, 상기 서술한 바와 같이 높은 잔류 저항비 (RRR) 를 가짐과 함께 경도가 높은 초전도 안정화재를 구비하고 있으므로, 초전도체의 초전도 상태가 깨진 경우에도, 초전도체를 흐르고 있는 전류를 초전도 안정화재로 확실하게 우회시킬 수 있어, 초전도체 전체에 상전도 상태가 전파되어 버리는 것을 억제할 수 있다. 고자장력의 환경하에서 사용한 경우에도, 초전도선이 진동하는 것을 억제할 수 있어, 마찰열의 발생을 억제할 수 있다.

본 발명의 초전도 코일은, 상기 서술한 초전도선이 보빈의 둘레면에 권회 (卷回) 되어 이루어지는 권선부를 구비한 구조를 갖는다. 이 초전도 코일에서는, 상기 서술한 바와 같이 높은 잔류 저항비 (RRR) 를 가짐과 함께 경도가 높은 초전도 안정화재를 구비한 초전도선을 사용하고 있으므로, 안정적으로 사용할 수 있게 된다. 고자장력의 환경하에서 사용한 경우에도, 초전도선이 진동하는 것을 억제할 수 있어, 마찰열의 발생을 억제할 수 있다.

본 발명에 따르면, 재결정 온도가 낮고 또한 높은 경도를 가지며, 고자장력의 환경하에서 사용하기에 적합한 초전도 안정화재, 이 초전도 안정화재를 구비한 초전도선, 및 이 초전도선으로 이루어지는 초전도 코일을 제공할 수 있다.

도 1 은 본 발명의 일 실시형태인 초전도 안정화재를 구비한 초전도선의 횡단면도이다.
도 2 는 도 1 에 나타내는 초전도선에 사용되는 필라멘트의 종단면도이다.
도 3 은 본 발명의 다른 실시형태인 초전도 안정화재를 구비한 초전도선의 종단면도이다.
도 4 는 본 발명의 다른 실시형태인 초전도 안정화재와 채널 부재를 구비한 초전도선의 종단면도이다.
도 5A 는 본 발명예 2 의 초전도 안정화재의 SEM 관찰 결과를 나타내는 사진이다.
도 5B 는 본 발명예 2 의 초전도 안정화재의 분석 결과를 나타내는 그래프이다.
도 6A 는 본 발명예 14 의 초전도 안정화재의 SEM 관찰 결과를 나타내는 사진이다.
도 6B 는 본 발명예 14 의 초전도 안정화재의 분석 결과를 나타내는 그래프이다.
도 7 은 본 발명의 일 실시형태인 초전도 코일을 나타내는 사시도이다.

본 발명의 일 실시형태인 초전도 안정화재 (20) 및 초전도선 (10) 에 대해서 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.

도 1 에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태에 있어서의 초전도선 (10) 은, 코어부 (11) 와, 이 코어부 (11) 의 외주측에 배치된 복수의 필라멘트 (12) 와, 이들 복수의 필라멘트 (12) 의 외주측에 배치되는 외각부 (外殼部) (13) 를 구비하고 있다.

상기 서술한 필라멘트 (12) 는, 도 1 및 도 2 에 나타내는 바와 같이, 초전도체로 이루어지는 소선 (15) 을 초전도 안정화재 (20) 에 의해 피복한 구조로 되어 있다. 이 예에서는, 개개의 소선 (15) 은 동일 직경의 단면 원형이고, 초전도 안정화재 (20) 는 각각 소선 (15) 을 동심 (同心) 형상으로 둘러싸고, 단면이 동일 직경인 정육각 형상을 이루고 있다. 이 예의 코어부 (11) 는 복수의 코어 소선으로 구성되고, 각 코어 소선은 필라멘트 (12) 와 거의 동일한 육각형의 단면 형상을 이루고, 서로 간극 없이 배열되어 있다. 외각부 (13) 는, 코어부 (11) 와 필라멘트 (12) 의 집합체를 이 집합체와 동심 형상으로 포위하고, 단면은 원형이다. 단, 본 발명은 이 예의 형상에 한정되지 않는다.

초전도 안정화재 (20) 는, 도 2 에 나타내는 바와 같이, 초전도체로 이루어지는 소선 (15) 의 일부에 있어서 초전도 상태가 깨져 상전도 영역 (A) 이 발생한 경우에, 초전도체로 이루어지는 소선 (15) 을 흐르는 전류 (I) 를 일시적으로 우회시킨다. 코어부 (11) 와 외각부 (13) 에 대해서도, 초전도 안정화재로서 상기 역할을 갖는 경우가 있다. 이 경우에는, 코어부 (11) 및 외각부 (13) 에 대해서도, 본 발명의 초전도 안정화재를 사용하는 것이 바람직하다. 코어부 (11) 와 외각부 (13) 에 초전도 안정화 효과를 바라지 않는 경우, 이것들은 통상적인 고순도 구리 등, 다른 도전 재료로 형성되어 있어도 된다.

초전도 안정화재 (20) 및 초전도 안정화재로서의 역할을 갖는 경우의 코어부 (11) 와 외각부 (13) 는, Ca, Sr, Ba, 희토류 원소에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소를 합계로 3 질량ppm 이상 100 질량ppm 이하의 범위 내로 함유하고, 잔부가 Cu 및 불가피 불순물로 된 조성을 갖는 구리재로 되어 있다.

초전도 안정화재 (20) 및 초전도 안정화재로서의 역할을 갖는 경우의 코어부 (11) 와 외각부 (13) 에 있어서는, 가스 성분인 O, H, C, N, S 를 제외한 불가피 불순물의 농도의 총계가 5 질량ppm 이상 100 질량ppm 이하로 되어 있다.

초전도 안정화재 (20) 및 초전도 안정화재로서의 역할을 갖는 경우의 코어부 (11) 와 외각부 (13) 에서는, 반연화점 온도가 200 ℃ 이하, 비커스 경도가 55 Hv 이상, 잔류 저항비 (RRR) 가 50 이상 500 이하로 된 특성을 갖고 있다.

보다 바람직하게는 초전도 안정화재 (20) 및 초전도 안정화재로서의 역할을 갖는 경우의 코어부 (11) 와 외각부 (13) 는, 불가피 불순물인 Fe 의 함유량이 10 질량ppm 이하, Ni 의 함유량이 10 질량ppm 이하, As 의 함유량이 5 질량ppm 이하, Ag 의 함유량이 50 질량ppm 이하, Sn 의 함유량이 4 질량ppm 이하, Sb 의 함유량이 4 질량ppm 이하, Pb 의 함유량이 6 질량ppm 이하, Bi 의 함유량이 2 질량ppm 이하, P 의 함유량이 3 질량ppm 이하로 되어 있어도 된다.

보다 바람직하게는 초전도 안정화재 (20) 및 초전도 안정화재로서의 역할을 갖는 경우의 코어부 (11) 와 외각부 (13) 에서는, S, Se, Te 의 합계 함유량 (X 질량ppm) 과, Ca, Sr, Ba, 희토류 원소에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소의 합계 함유량 (Y 질량ppm) 의 비 (Y/X) 가 0.5 ≤ Y/X ≤ 20 인 범위 내로 되어 있어도 된다.

초전도 안정화재 (20) 및 초전도 안정화재로서의 역할을 갖는 경우의 코어부 (11) 와 외각부 (13) 에서는, Ca, Sr, Ba, 희토류 원소에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소와 S, Se, Te 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 원소를 함유하는 화합물이 존재하고 있다.

상기 서술한 바와 같이 성분 조성, 반연화 온도, 경도, 잔류 저항비 (RRR) 화합물의 유무를 규정한 이유에 대해서 이하에 설명한다.

(Ca, Sr, Ba, 희토류 원소에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소)

구리에 함유되는 불가피 불순물 중 S, Se, Te 는, 구리 중에 고용 (固溶) 됨으로써 잔류 저항비 (RRR) 를 크게 저하시키는 원소이다. 그래서, 잔류 저항비 (RRR) 를 향상시키기 위해서는, 이들 S, Se, Te 의 영향을 배제할 필요가 있다.

Ca, Sr, Ba, 희토류 원소에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소는, S, Se, Te 와 반응성이 높은 원소이므로, S, Se, Te 와 화합물을 생성함으로써, 이들 S, Se, Te 가 구리 중에 고용되는 것을 억제할 수 있게 된다. 이로써, 초전도 안정화재 (20) 및 초전도 안정화재로서의 역할을 갖는 경우의 코어부 (11) 와 외각부 (13) 의 잔류 저항비 (RRR) 를 충분히 향상시킬 수 있다.

Ca, Sr, Ba, 희토류 원소에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소는, 구리 중에 잘 고용되지 않는 원소이고, 또한 구리에 고용되어도 잔류 저항비 (RRR) 를 저하시키는 작용이 작기 때문에, S, Se, Te 의 함유량에 대하여 과잉으로 첨가한 경우에도, 초전도 안정화재 (20) 및 초전도 안정화재로서의 역할을 갖는 경우의 코어부 (11) 와 외각부 (13) 의 잔류 저항비 (RRR) 가 크게 저하되는 일은 없다.

Ca, Sr, Ba, 희토류 원소에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소의 함유량이 3 질량ppm 미만에서는, S, Se, Te 를 고정시키는 작용 효과를 충분히 얻게 할 수 없을 우려가 있다. 한편, Ca, Sr, Ba, 희토류 원소에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소의 함유량이 100 질량ppm 을 초과하면, 이들 첨가 원소의 조대한 석출물 등이 생성되어 가공성이 열화될 우려가 있다.

이상과 같은 점에서 본 실시형태에서는, Ca, Sr, Ba, 희토류 원소에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소의 함유량을 3 질량ppm 이상 100 질량ppm 이하의 범위 내로 규정하고 있다.

S, Se, Te 를 확실하게 고정시키기 위해서는, Ca, Sr, Ba, 희토류 원소에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소의 함유량의 하한을 3.5 질량ppm 이상으로 하는 것이 바람직하고, 4.0 질량ppm 이상으로 하는 것이 더욱 바람직하다. 한편, 가공성의 저하를 확실하게 억제하기 위해서는, Ca, Sr, Ba, 희토류 원소에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소의 함유량의 상한을 80 질량ppm 이하로 하는 것이 바람직하고, 50 질량ppm 이하로 하는 것이 더욱 바람직하고, 30 질량ppm 이하로 하는 것이 보다 더 바람직하다.

(가스 성분을 제외한 불가피 불순물 원소)

가스 성분 (O, H, C, N, S) 을 제외한 불가피 불순물에 대해서는, 그 농도를 낮게 함으로써 잔류 저항비 (RRR) 가 향상된다. 한편, 불가피 불순물의 농도를 필요 이상으로 저감시키고자 하면, 제조 프로세스가 복잡해져 제조 비용이 대폭적으로 상승되어 버린다. 본 실시형태에서는, 가스 성분 (O, H, C, N, S) 을 제외한 불가피 불순물의 농도를 총계로 5 질량ppm 이상 100 질량ppm 이하의 범위 내로 설정하고 있다.

가스 성분 (O, H, C, N, S) 을 제외한 불가피 불순물의 농도를 총계로 5 질량ppm 이상 100 질량ppm 이하의 범위 내로 하기 위해서, 원료로서는 순도 99 ∼ 99.9999 질량％ 의 고순도 구리나 무산소 구리 (C10100, C10200) 를 사용할 수 있다. 단, O 가 고농도이면, Ca, Sr, Ba, 희토류 원소가 O 와 반응해 버리기 때문에, O 농도를 20 질량ppm 이하로 하는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 10 질량ppm 이하이다. 보다 더 바람직하게는 5 질량ppm 이하이다.

제조 비용의 상승을 확실하게 억제하기 위해서는, 불가피 불순물의 하한을 7 질량ppm 이상으로 하는 것이 바람직하고, 10 질량ppm 이상으로 하는 것이 더욱 바람직하다. 한편, 잔류 저항비 (RRR) 를 확실하게 향상시키기 위해서는, 불가피 불순물의 상한을 90 질량ppm 이하로 하는 것이 바람직하고, 80 질량ppm 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다.

본 실시형태에 있어서의 불가피 불순물은, Fe, Ni, As, Ag, Sn, Sb, Pb, Bi, P, Li, Be, B, F, Na, Mg, Al, Si, Cl, K, Ti, V, Cr, Mn, Nb, Co, Zn, Ga, Ge, Br, Rb, Zr, Mo, Ru, Pd, Cd, In, I, Cs, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg, Tl, Th, U 이다.

(Fe, Ni, As, Ag, Sn, Sb, Pb, Bi, P)

불가피 불순물 중 Fe, Ni, As, Ag, Sn, Sb, Pb, Bi, P 와 같은 특정 불순물의 원소는, 잔류 저항비 (RRR) 를 저하시키는 작용을 가지므로, 이들 원소의 함유량을 각각 규정함으로써, 잔류 저항비 (RRR) 의 저하를 확실하게 억제할 수 있게 된다. 본 실시형태에서는, Fe 의 함유량을 10 질량ppm 이하, Ni 의 함유량을 10 질량ppm 이하, As 의 함유량을 5 질량ppm 이하, Ag 의 함유량을 50 질량ppm 이하, Sn 의 함유량을 4 질량ppm 이하, Sb 의 함유량을 4 질량ppm 이하, Pb 의 함유량을 6 질량ppm 이하, Bi 의 함유량을 2 질량ppm 이하, P 의 함유량을 3 질량ppm 이하로 규정하고 있다.

잔류 저항비 (RRR) 의 저하를 더 확실하게 억제하기 위해서는, Fe 의 함유량을 4.5 질량ppm 이하, Ni 의 함유량을 3 질량ppm 이하, As 의 함유량을 3 질량ppm 이하, Ag 의 함유량을 38 질량ppm 이하, Sn 의 함유량을 3 질량ppm 이하, Sb 의 함유량을 1.5 질량ppm 이하, Pb 의 함유량을 4.5 질량ppm 이하, Bi 의 함유량을 1.5 질량ppm 이하, P 의 함유량을 1.5 질량ppm 이하로 규정하는 것이 바람직하고, 나아가서는 Fe 의 함유량을 3.3 질량ppm 이하, Ni 의 함유량을 2.2 질량ppm 이하, As 의 함유량을 2.2 질량ppm 이하, Ag 의 함유량을 28 질량ppm 이하, Sn 의 함유량을 2.2 질량ppm 이하, Sb 의 함유량을 1.1 질량ppm 이하, Pb 의 함유량을 3.3 질량ppm 이하, Bi 의 함유량을 1.1 질량ppm 이하, P 의 함유량을 1.1 질량ppm 이하로 규정하는 것이 바람직하다.

(S, Se, Te 의 합계 함유량과 첨가 원소의 합계 함유량 의 비 (Y/X))

상기 서술한 바와 같이, Ca, Sr, Ba, 희토류 원소에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소는, S, Se, Te 와 같은 원소와 화합물을 생성한다. S, Se, Te 의 합계 함유량과 첨가 원소의 합계 함유량의 비 (Y/X) 가 0.5 미만에서는, 첨가 원소의 함유량이 부족하여, S, Se, Te 와 같은 원소를 충분히 고정시킬 수 없게 될 우려가 있다.

한편, S, Se, Te 의 합계 함유량과 첨가 원소의 합계 함유량의 비 (Y/X) 가 20 을 초과하면, S, Se, Te 와 반응하지 않은 잉여의 첨가 원소가 많이 존재하게 되어, 가공성이 저하될 우려가 있다.

이상과 같은 점에서 본 실시형태에서는, S, Se, Te 의 합계 함유량과 첨가 원소의 합계 함유량의 비 (Y/X) 를 0.5 이상 20 이하의 범위 내로 규정하는 것이 바람직하다.

S, Se, Te 와 같은 원소를 화합물로서 확실하게 고정시키기 위해서는, S, Se, Te 의 합계 함유량과 첨가 원소의 합계 함유량의 비 (Y/X) 의 하한을 0.75 이상으로 하는 것이 바람직하고, 1.0 이상으로 하는 것이 더욱 바람직하다. 가공성의 저하를 확실하게 억제하기 위해서는, S, Se, Te 의 합계 함유량과 첨가 원소의 합계 함유량의 비 (Y/X) 의 상한을 17 이하로 하는 것이 바람직하고, 11 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다.

(첨가 원소와 S, Se, Te 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 원소를 함유하는 화합물)

상기 서술한 바와 같이, Ca, Sr, Ba, 희토류 원소에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소는, S, Se, Te 와 같은 원소와 화합물을 생성함으로써, S, Se, Te 와 같은 원소가 구리 중에 고용되는 것을 억제하고 있다. 따라서, Ca, Sr, Ba, 희토류 원소에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소와 S, Se, Te 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 원소를 함유하는 화합물이 존재함으로써, 잔류 저항비 (RRR) 를 확실하게 향상시킬 수 있다.

Ca, Sr, Ba, 희토류 원소에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소와 S, Se, Te 와 같은 원소를 함유하는 화합물이, 0.001 개/㎛² 이상의 개수 밀도로 존재함으로써, 확실하게 잔류 저항비 (RRR) 를 향상시킬 수 있다. 잔류 저항비 (RRR) 를 더욱 향상시키기 위해서는, 화합물의 개수 밀도를 0.005 개/㎛² 이상으로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.007 개/㎛² 이상이다.

본 실시형태에서는, 상기 서술한 개수 밀도는 입경 0.1 ㎛ 이상인 화합물을 대상으로 하였다. 본 실시형태에서는, S, Se, Te 와 같은 원소의 함유량이 충분히 적기 때문에, 상기 서술한 화합물 (입경 0.1 ㎛ 이상) 의 개수 밀도의 상한은 0.1 개/㎛² 이하가 되고, 더욱 바람직하게는 0.09 개/㎛² 이하이다. 보다 바람직하게는 0.08 개/㎛² 이하이다.

(반연화점 온도)

Nb-Ti 계 초전도체로 이루어지는 소선을 구비한 초전도선에서는, 특성을 유지하기 위해서, 200 ℃ 이하와 같은 저온 조건에서 열처리를 실시하는 것이 바람직하다. 그래서, 초전도 안정재에서는, 200 ℃ 이하인 저온 조건에서도 재결정이 충분히 진행되어, 가공시에 형성된 모상 중의 격자 결함을 저감시켜, 저항값을 저하시킬 필요가 있다.

본 실시형태에서는, 초전도 안정화재 (20) 의 반연화점 온도는 200 ℃ 이하로 하고 있다. 초전도 안정화재 (20) 의 반연화점 온도는, 175 ℃ 이하인 것이 바람직하고, 160 ℃ 이하인 것이 더욱 바람직하다.

본 실시형태에서는, 감면율 50 ％ 이상 (감면율＝(신선 전의 단면 면적－신선 후의 단면 면적)/(신선 전의 단면 면적)×100) 또는 압연율 50 ％ 이상 (압연율＝(압연 전의 판두께－압연 후의 판두께)/(압연 전의 판두께)×100) 의 냉간 소성가공 후의 실온에서의 비커스 경도 Hv_(CD), 500 ℃, Ar 가스 분위기에서 1 시간 유지 후, 급랭시킨 후, 실온에서 측정한 비커스 경도를 Hv_500 ℃ 로 하고

Hv_recry＝Hv_500 ℃＋(Hv_(CD)－Hv_500 ℃)/2 가 되는 경도가 될 때의 급랭 전의 열처리 온도를 반연화점 온도로 하였다.

(비커스 경도)

초전도선 (10) 을 고자장력의 환경하에서 사용하는 경우, 초전도선 (10) 전체의 기계적 강도가 부족하면, 필라멘트 (12) (소선 (15), 초전도 안정화재 (20) 및 초전도 안정화재로서의 역할을 갖는 경우의 코어부 (11) 와 외각부 (13)) 가 미소하게 진동해 버리고, 이로써 마찰열이 발생하여, 초전도 상태가 깨질 우려가 있다.

초전도선 (10) 의 기계적 강도를 확보하기 위해서, 초전도 안정화재 (20) 및 초전도 안정화재로서의 역할을 갖는 경우의 코어부 (11) 와 외각부 (13) 의 비커스 경도를 55 Hv 이상으로 규정하고 있다.

초전도 안정화재 (20) 및 초전도 안정화재로서의 역할을 갖는 경우의 코어부 (11) 와 외각부 (13) 의 비커스 경도는, 60 Hv 이상인 것이 바람직하고, 62 Hv 이상인 것이 보다 바람직하고, 65 Hv 이상인 것이 더욱 바람직하다.

(잔류 저항비 (RRR))

초전도 안정화재 (20) 및 초전도 안정화재로서의 역할을 갖는 경우의 코어부 (11) 와 외각부 (13) 에서는, 극저온에 있어서 저항값이 낮아 전류를 양호하게 우회시키기 위해서는, 잔류 저항비 (RRR) 가 높은 것이 요구된다. 잔류 저항비 (RRR) 가 50 미만에서는, 전류를 양호하게 우회시킬 수 없게 될 우려가 있다. 한편, 잔류 저항비 (RRR) 를 500 초과로 하기 위해서는, 비교적 고온에서의 열처리가 필요해져, 경도가 낮아질 우려가 있다.

이상과 같은 점에서, 본 실시형태에서는, 초전도 안정화재 (20) 및 초전도 안정화재로서의 역할을 갖는 경우의 코어부 (11) 와 외각부 (13) 의 잔류 응력비 (RRR) 를 50 이상 500 이하의 범위 내로 하고 있다. 잔류 저항비 (RRR) 의 하한은, 100 이상으로 하는 것이 바람직하고, 150 이상으로 하는 것이 더욱 바람직하다. 잔류 저항비 (RRR) 의 상한은, 400 이하로 하는 것이 바람직하고, 350 이하가 보다 바람직하고, 250 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다.

초전도 안정화재 (20) 및 초전도 안정화재로서의 역할을 갖는 경우의 코어부 (11) 와 외각부 (13) 는, 용해 주조 공정, 열간 압출 등의 열간 가공 공정, 소성 가공 공정, 열처리 공정, 냉간 소성 가공 공정을 포함하는 제조 공정에 의해 제조된다.

연속 주조 압연법 (예를 들어 SCR 법) 등에 의해 본 실시형태에서 개시한 조성의 황인동선 (荒引銅線) 을 제조하고, 이것을 소재로 하여 초전도 안정화재 (20) 및 초전도 안정화재로서의 역할을 갖는 경우의 코어부 (11) 와 외각부 (13) 를 제조해도 된다. 이 경우, 초전도 안정화재 (20) 및 초전도 안정화재로서의 역할을 갖는 경우의 코어부 (11) 와 외각부 (13) 의 생산 효율이 향상되어, 제조 비용을 대폭적으로 저감시킬 수 있게 된다. 여기서 말하는 연속 주조 압연법이란, 예를 들어 벨트·휠식 연속 주조기와 연속 압연 장치를 구비한 연속 주조 압연 설비를 사용하여, 동황인선 (銅荒引線) 을 제조하고, 이 동황인선을 소재로 하여 인발 구리선을 제조하는 공정을 말한다.

이상과 같은 구성으로 된 초전도 안정화재 (20) 및 초전도 안정화재로서의 역할을 갖는 경우의 코어부 (11) 와 외각부 (13) 에 따르면, 구리재에 Ca, Sr, Ba, 희토류 원소에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소를 합계로 3 질량ppm 이상 100 질량ppm 이하의 범위 내로 함유시키고 있으므로, 구리 중의 S, Se, Te 가 화합물로서 고정되어, 잔류 저항비 (RRR) 를 향상시킬 수 있다.

가스 성분인 O, H, C, N, S 를 제외한 불가피 불순물의 농도의 총계가 5 질량ppm 이상 100 질량ppm 이하로 되어 있으므로, 과도하게 구리의 고순도화를 도모할 필요가 없고, 제조 프로세스가 간이해져, 제조 비용을 저감시킬 수 있다.

실시형태인 초전도 안정화재 (20) 및 초전도 안정화재로서의 역할을 갖는 경우의 코어부 (11) 와 외각부 (13) 에서는, 반연화점 온도가 200 ℃ 이하로 되어 있으므로, 200 ℃ 이하의 저온 조건에서 열처리를 실시한 경우에도, 재결정에 의해 모상 중의 격자 결함을 충분히 저감시킬 수 있어, 잔류 저항비 (RRR) 를 충분히 회복할 수 있다.

실시형태인 초전도 안정화재 (20) 및 초전도 안정화재로서의 역할을 갖는 경우의 코어부 (11) 와 외각부 (13) 에서는, 비커스 경도가 55 Hv 이상으로 되어 있으므로, 고자장력의 환경하에서 사용한 경우에도, 필라멘트 (12) (소선 (15) 및 초전도 안정화재 (20) 및 초전도 안정화재로서의 역할을 갖는 경우의 코어부 (11) 와 외각부 (13)) 가 진동하는 것을 억제할 수 있어, 마찰열의 발생을 억제할 수 있다.

실시형태인 초전도 안정화재 (20) 에서는, 잔류 저항비 (RRR) 가 50 이상 500 이하로 되어 있으므로, 극저온에서의 저항값이 충분히 낮아, 초전도체의 초전도 상태가 깨졌을 때에 전류를 충분히 우회시킬 수 있어, 초전도 안정화재 (20) 및 초전도 안정화재로서의 역할을 갖는 경우의 코어부 (11) 와 외각부 (13) 로서 특히 우수하다.

본 실시형태의 바람직한 예에서는, 잔류 저항비 (RRR) 에 영향을 미치는 Fe, Ni, As, Ag, Sn, Sb, Pb, Bi, P 의 함유량에 대해서, Fe 의 함유량을 10 질량ppm 이하, Ni 의 함유량을 10 질량ppm 이하, As 의 함유량을 5 질량ppm 이하, Ag 의 함유량을 50 질량ppm 이하, Sn 의 함유량을 4 질량ppm 이하, Sb 의 함유량을 4 질량ppm 이하, Pb 의 함유량을 6 질량ppm 이하, Bi 의 함유량을 2 질량ppm 이하, P 의 함유량을 3 질량ppm 이하로 규정하고 있으므로, 확실하게 초전도 안정화재 (20) 및 초전도 안정화재로서의 역할을 갖는 경우의 코어부 (11) 와 외각부 (13) 의 잔류 저항비 (RRR) 를 향상시킬 수 있다.

본 실시형태의 바람직한 예에서는, S, Se, Te 의 합계 함유량 (X 질량ppm) 과 Ca, Sr, Ba, 희토류 원소에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소의 합계 함유량 (Y 질량ppm) 의 비 (Y/X) 가 0.5 ≤ Y/X ≤ 20 인 범위 내로 되어 있으므로, 구리 중의 S, Se, Te 를 첨가 원소와의 화합물로서 확실하게 고정시킬 수 있어, 잔류 저항비 (RRR) 의 저하를 확실하게 억제할 수 있다. S, Se, Te 와 반응하지 않은 잉여의 첨가 원소가 많이 존재하지 않아, 가공성을 확보할 수 있다.

본 실시형태에서는, Ca, Sr, Ba, 희토류 원소에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소와 S, Se, Te 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 원소를 함유하는 화합물이 존재하고 있으므로, 구리 중에 존재하는 S, Se, Te 가, Ca, Sr, Ba, 희토류 원소에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소와의 화합물에 의해 확실하게 고정되어 있어, S, Se, Te 에 의한 초전도 안정화재 (20) 및 초전도 안정화재로서의 역할을 갖는 경우의 코어부 (11) 와 외각부 (13) 의 잔류 저항비 (RRR) 의 저하를 확실하게 억제할 수 있다.

특히 본 실시형태의 바람직한 예에서는, 입경 0.1 ㎛ 이상인 화합물의 개수 밀도가 0.001 개/㎛² 이상으로 되어 있으므로, S, Se, Te 를 확실하게 화합물로서 고정시킬 수 있어, 초전도 안정화재 (20) 의 잔류 저항비 (RRR) 를 충분히 향상시킬 수 있다.

이상, 본 발명의 실시형태인 초전도 안정화재 및 초전도선에 대해 설명했는데, 본 발명은 이것에 한정되지는 않고, 그 발명의 기술적 사상을 일탈하지 않는 범위에서 적절히 변경 가능하다.

예를 들어, 초전도선 (10) 을 구성하는 코어부 (11) 및 외각부 (13) 에 대해서도, 초전도 안정화재 (20) 와 동일한 조성의 구리재에 의해 구성해도 된다.

상기 서술한 실시형태에서는, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 복수의 필라멘트 (12) 를 묶은 구조의 초전도선 (10) 을 예로 들어 설명했는데, 이것에 한정되지는 않는다.

예를 들어 도 3 에 나타내는 바와 같이, 테이프 형상의 기재 (113) 상에 초전도체 (115) 및 초전도 안정화재 (120) 를 적층 배치한 구조의 초전도선 (110) 이어도 된다.

도 4 에 나타내는 바와 같이, 복수의 필라멘트 (12) 를 묶은 후, 순구리로 이루어지는 채널 부재 (220) 에 삽입한 구조의 초전도선 (210) 이어도 된다. 이 경우, 채널 부재 (220) 도 초전도 안정화재로서의 역할을 갖는다.

도 7 은, 본 발명의 초전도선, 예를 들어 전술한 초전도선 (10, 110, 210) 을 나선 형상으로 권회하여 이루어지는 코일 (C) 이다. 이 예의 코일 (C) 은 단면 원형으로 거의 간극 없이 권회되고, 중공 (中空) 이지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않고, 단면 사각형이나 단면 타원형 등이어도 되고, 어떠한 비자성체로 이루어지는 심재 또는 보빈에 초전도선이 권회되어 있어도 된다. 초전도선은 간극 없이 권회되어 있어도 되고, 소정의 간극을 두고 권회되어 있어도 된다. 코일 (C) 의 사이즈도 권회 수도 한정되지 않고, 사용 목적에 따라 적절히 설정된다.

실시예

이하에, 본 발명의 효과를 확인하기 위해 실시한 확인 실험의 결과에 대해서 설명한다.

본 실시예에서는, 연구실 실험으로서 순도 99.99 질량％ 이상 99.9999 질량％ 미만의 고순도 구리 및 Ca, Sr, Ba, 희토류 원소의 모합금을 원료로서 사용하며, 표 1 에 기재된 조성이 되도록 조정하였다. Fe, Ni, As, Ag, Sn, Sb, Pb, Bi, P 및 그 밖의 불순물에 대해서는, 순도 99.9 질량％ 이상의 Fe, Ni, As, Ag, Sn, Sb, Pb, Bi, P 와 순도 99.9 질량％ 의 순구리로부터 각각의 원소의 모합금을 제작하고, 그 모합금을 사용하여 조정하였다. 합금 No.17 에서는, 희토류 원소로서 미슈메탈 (MM) 을 첨가하였다.

우선, 고순도 구리를 N₂＋CO 의 환원성 가스 분위기 중에서 전기로를 사용하여 용해시키고, 그 후, 각종 첨가 원소 및 불순물의 모합금을 첨가하여 소정 농도로 조제하고, 소정의 주형에 주조함으로써, 직경 : 65 ㎜ × 길이 : 180 ㎜ 의 원기둥 형상의 잉곳을 얻었다. 이 잉곳에 대하여 840 ℃ 에서 열간 홈 압연을 실시하여 직경 8 ㎜ 인 열연 선재로 하고, 이 열연 선재로부터 냉간 인발에 의해 직경 2.0 ㎜ 인 세선을 성형하였다.

이 세선에 Ar 가스 분위기하에서 표 2 ∼ 4 에 나타내는 열처리 온도에서 1 시간 유지의 조건에서 열처리를 실시함으로써, 평가용 선재를 제조하였다. 본 실시예에서는, 용해 주조 과정에 있어서 불순물 원소의 혼입도 확인되었다. 이들 평가용 선재를 사용하여, 이하의 항목에 대해서 평가하였다.

(조성 분석)

가스 성분을 제외한 원소에 대해서, 10 질량ppm 미만인 원소의 경우에는 글로 방전 질량 분석법 (GD-MS), 10 질량ppm 이상인 원소의 경우에는 유도 결합 플라즈마 발광 분광 분석법 (ICP-MS) 을 사용하였다. S, O 의 분석에는 적외선 흡수법 (IR) 을 사용하였다. GD-MS 에서는, 평가용 선재로부터 길이 20 ㎜ 인 시험편을 제작하고, 산세 후에 이 시험편을 수평으로 놓아 빔을 조사하고, 시험편의 표면을 분석하였다. 이로써, 10 질량ppm 미만의 함유량인 원소를 동시에 측정하였다. ICP-MS 에서는, 평가용 선재로부터 길이 400 ㎜ 인 시험편을 제작하고, 산세 후에 이 시험편을 완전히 용해시켜 분석을 실시하였다. 이로써, 10 질량ppm 이상의 함유량인 원소를 동시에 측정하였다. IR 에서는, 평가용 선재로부터 길이 50 ㎜ 인 시험편을 제작하고, 산세 후에 이 시험편을 완전히 용해시켜 S, O 각각에 대해서 분석을 실시하였다. 평가 결과를 표 1 에 나타낸다.

(비커스 경도)

마이크로 비커스 경도 시험기로 JIS Z 2244:2009 에 준거하여, 시험력 0.0051 N (50 g), 유지 시간 10 초의 조건에서 비커스 경도를 측정하였다. 구체적으로는 평가용 선재로부터 길이 10 ㎜ 인 시험편을 제작하고, 수지에 수직으로 매립하고, 시험편의 단면을 연마하여, 얻어진 단면의 중심점과 이 중심점으로부터 회전각 90°마다 연장되는 4 개의 반경의 각 중심점의 합계 5 점에 있어서, 상기 조건에서 비커스 경도를 측정하고, 그 평균값을 구하였다. 평가 결과를 표 2 ∼ 4 에 나타낸다.

(반연화점 온도)

냉간 신선 후의 선재로부터 측정용 시료를 채취하고, 상기와 동일한 방법으로 실온의 비커스 경도를 측정함과 함께, 및 50 ℃ 에서부터 500 ℃ 까지 25 ℃ 간격으로 열처리 온도를 규정하고, 이 열처리 온도에서 Ar 가스 분위기하 1 시간 유지 후, 급랭시키고, 상기와 동일한 방법으로 실온에서의 비커스 경도를 측정하였다. 실온에서의 비커스 경도와 급랭 전의 열처리 온도의 그래프를 작성하고, 얻어진 그래프로부터 반연화점 온도를 구하였다. 평가 결과를 표 1 에 나타낸다.

(잔류 저항비 (RRR))

4 단자법으로 293 K 에서의 전기 비저항 (ρ_293K) 및 액체 헬륨 온도 (4.2 K) 에서의 전기 비저항 (ρ_4.2K) 을 측정하고, RRR＝ρ_293K/ρ_4.2K 를 산출하였다. 구체적으로는 평가용 선재로부터 길이 200 ㎜ 인 시험편을 제작하고, 산세 후에 단자 간 거리 (4 단자법의 내측의 단자 간의 거리) 가 100 ㎜ 가 되는 조건에서 전기 비저항 (ρ_293K) 및 전기 비저항 (ρ_4.2K) 을 측정하고, RRR＝ρ_293K/ρ_4.2K 를 산출하였다. 평가 결과를 표 2 ∼ 4 에 나타낸다.

(화합물 입자 관찰)

Ca, Sr, Ba, 희토류 원소에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소와 S, Se, Te 중 1 종 또는 2 종 이상을 함유하는 화합물 입자의 유무를 확인하기 위해서, SEM (주사형 전자 현미경) 을 사용하여 입자 관찰하고, 이 화합물 입자의 EDX 분석 (에너지 분산형 X 선 분광법) 을 실시하였다. 본 발명예 2 의 화합물의 SEM 관찰 결과를 도 5A 에 나타내고, EDX 분석 결과를 도 5B 에 나타낸다. 본 발명예 14 의 화합물의 SEM 관찰 결과를 도 6A 에 나타내고, EDX 분석 결과를 도 6B 에 나타낸다.

비교예 1 ∼ 19 는, 본 발명의 조성 범위인 합금 No.1 ∼ 19 를 사용하고 있지만, 열처리 온도가 500 ℃ 로 고온이었기 때문에, 비커스 경도가 50 Hv 미만이 되었다.

Ca, Sr, Ba, 희토류 원소에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소를 첨가하지 않은 합금 No.101 에서는, 반연화점 온도가 200 ℃ 를 초과하였다. 합금 No.101 을 사용하여 열처리 온도를 100 ℃ 로 한 비교예 101, 열처리 온도를 125 ℃ 로 한 비교예 121, 열처리 온도를 150 ℃ 로 한 비교예 141, 열처리 온도를 175 ℃ 로 한 비교예 161 에서는, 모두 잔류 저항비 (RRR) 가 50 미만이 되었다. 합금 No.101 을 사용하여 열처리 온도를 500 ℃ 로 한 비교예 181 에서는, 비커스 경도가 50 Hv 미만이 되었다.

가스 성분인 O, H, C, N, S 를 제외한 불가피 불순물의 농도의 총계가 100 질량ppm 을 초과하는 합금 No.102 에서는, 반연화점 온도가 200 ℃ 를 초과하였다. 합금 No.102 를 사용하여 열처리 온도를 100 ℃ 로 한 비교예 102, 열처리 온도를 125 ℃ 로 한 비교예 122, 열처리 온도를 150 ℃ 로 한 비교예 142, 열처리 온도를 175 ℃ 로 한 비교예 162 에서는, 모두 잔류 저항비 (RRR) 가 50 미만이 되었다. 합금 No.102 를 사용하여 열처리 온도를 500 ℃ 로 한 비교예 182 에서는, 비커스 경도가 50 Hv 미만이 되었다.

Ca 의 첨가량이 506 질량ppm 과 본 발명의 범위를 초과한 합금 No.103 에서는, 소성 가공 중에 균열이 발생하였다. 그래서, 그 후의 평가를 중지시켰다.

이에 비해, 본 발명의 조성 범위인 합금 No.1 ∼ 19 에서는, 반연화점 온도가 200 ℃ 이하였다. 합금 No.1 ∼ 19 를 사용하여 열처리 온도를 100 ℃ 로 한 본 발명예 1 ∼ 19, 열처리 온도를 125 ℃ 로 한 본 발명예 21 ∼ 39, 열처리 온도를 150 ℃ 로 한 본 발명예 41 ∼ 59, 열처리 온도를 175 ℃ 로 한 본 발명예 61 ∼ 79 에서는, 비커스 경도가 50 Hv 이상이고 또한 잔류 저항비 (RRR) 가 50 이상 500 이하인 범위 내로 되어 있음이 확인되었다.

도 5A ∼ 도 6B 에 나타내는 바와 같이, 본 발명예에서는, Ca, Sr, Ba, 희토류 원소에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소와 S, Se, Te 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 원소를 함유하는 화합물 입자가 존재하는 것이 확인되었다.

이상과 같은 점에서 본 발명예에 따르면, 재결정 온도가 낮고 또한 높은 경도를 가지며, 고자장력의 환경하에서 사용하기에 적합한 초전도 안정화재를 제공할 수 있음이 확인되었다.

산업상 이용가능성

본 발명에 따르면, 재결정 온도가 낮고 또한 높은 경도를 가지며, 고자장력의 환경하에서 사용하기에 적합한 초전도 안정화재, 이 초전도 안정화재를 구비한 초전도선, 및 이 초전도선으로 이루어지는 초전도 코일을 제공할 수 있다. 따라서, 본 발명은 산업상 이용이 가능하다.

10, 110, 210 : 초전도선
20, 120 : 초전도 안정화재
C : 초전도 코일

Claims

초전도선에 사용되는 초전도 안정화재로서,
Ca, Sr, Ba, 희토류 원소에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소를 합계로 3 질량ppm 이상 100 질량ppm 이하의 범위 내로 함유하고, 잔부가 Cu 및 불가피 불순물로 된 구리재로 이루어지고,
가스 성분인 O, H, C, N, S 를 제외한 상기 불가피 불순물의 농도의 총계가 5 질량ppm 이상 100 질량ppm 이하로 되어 있고,
반연화점 온도가 200 ℃ 이하,
비커스 경도가 55 Hv 이상, 및
잔류 저항비 (RRR) 가 50 이상 500 이하인 것을 특징으로 하는 초전도 안정화재.
제 1 항에 있어서,
상기 불가피 불순물인 Fe 의 함유량이 10 질량ppm 이하, Ni 의 함유량이 10 질량ppm 이하, As 의 함유량이 5 질량ppm 이하, Ag 의 함유량이 50 질량ppm 이하, Sn 의 함유량이 4 질량ppm 이하, Sb 의 함유량이 4 질량ppm 이하, Pb 의 함유량이 6 질량ppm 이하, Bi 의 함유량이 2 질량ppm 이하, P 의 함유량이 3 질량ppm 이하로 되어 있는 것을 특징으로 하는 초전도 안정화재.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
S, Se, Te 의 합계 함유량 (X 질량ppm) 과 Ca, Sr, Ba, 희토류 원소에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소의 합계 함유량 (Y 질량ppm) 의 비 (Y/X) 가 0.5 ≤ Y/X ≤ 20 인 범위 내로 되어 있는 것을 특징으로 하는 초전도 안정화재.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
Ca, Sr, Ba, 희토류 원소에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소와 S, Se, Te 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 원소를 함유하는 화합물이 존재하고 있는 것을 특징으로 하는 초전도 안정화재.
초전도체를 포함하는 소선과, 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 기재된 초전도 안정화재를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 초전도선.
제 5 항에 기재된 초전도선이 보빈의 둘레면에 권회되어 이루어지는 권선부를 구비한 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 초전도 코일.