JPS6262406B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は繊維分散型Nb₃Sn超電導線材の製造法
に関する。更に詳しくは加工性の良い銅−ニオブ
合金とこれと同等に加工性の良いチタン合金を複
合化させたものを使用し、強磁界特性の改良され
た繊維分散型Nb₃Sn超電導線材の製造法に関す
る。 超電導線材を用いると電力消費なしに大電流を
流すことができ、しかも強磁界まで超電導状態が
保たれることから、強磁界発生用電磁石の巻線材
として利用が進められている。現在、最も広く使
用されている線材は、Nb−Ti系の合金線材であ
るが、この合金線材の発生磁界は９テスラ
（90000ガウス）の限度があり、これ以上の強磁界
を必要とする場合には、臨界磁界の高い化合物系
超電導体を用いる必要がある。しかし、化合物系
超電導体は可塑性に欠ける点が実用化に際しての
大きな障害になつていた。近年、表面拡散法およ
び複合加工法などの拡散を利用した方法が発明さ
れ、Nb₃Sn（臨界温度：約18K、臨界磁界：約21
テスラ）およびV₃Ga（臨界温度：約15K、臨界
磁界：約22テスラ）の化合物系超電導線材が実用
化されるようになつた。この内複合加工法は、例
えばNb₃Snにおいてはニオブ基体と銅−錫合金基
体とを密着させ、線状またはテープ状に加工した
のち、熱処理によつて銅−錫合金基体中の錫を選
択的にニオブと反応させてNb₃Sn化合物層を境界
面に生成させる方法で、固体拡散法の１種であ
る。この固体拡散法を利用して銅−錫合金基体中
に多数のニオブ棒を埋込んだ複合体を線状に加工
して熱処理することによつて、磁界変化に対して
安定なNb₃Sn化合物極細多芯線の製造が可能とな
つた。また、V₃Ga化合物極細多芯線も同様の製
造法で作製できる。このような表面拡散法や複合
加工法によつて作製されたNb₃SnあるいはV₃Ga
化合物線材はすでに物性研究用などの小型強磁界
マグネツトとして利用されている。 しかし、この複合加工法では、最初に複合体を
作製する複雑な工程が必要であり、また、Nb₃Sn
の場合、銅−錫合金基体は加工により著しく硬化
するため、銅中の錫の含有量は８原子％程度以下
に限定され、大量のNb₃Sn層の生成が困難である
とともに、断面縮少率が約40％毎に中間焼鈍を必
要とし、実用的な長尺線材を作るには焼鈍回数が
極めて多くなり、合金線材に比較して製造コスト
が著しく高くなる。さらに、複合加工線材は機械
的強度が比較的弱く、実用に供するときは補強材
との組合せから全断面積当りの臨界電流容量が低
くなる難点があつた。 最近、この難点を克服した繊維分散型の線材作
製法が開発された。この製造法は銅−ニオブ合金
基体をアーク溶解あるいは高周波溶解により溶製
して、銅マトリツクス内にニオブの微細なデンド
ライト粒子が均一に分散したインゴツトを作製す
る。この合金は加工性に優れ、中間焼鈍を必要と
せずに任意の径に加工することができる。この加
工によりニオブ粒子は大きな変形を受け極めて細
長い繊維状となつて、線材のなかに密接して多数
分散されたものとなる。この線材表面に好ましい
量の錫を電気メツキなどによつて付着させて熱処
理をおこなうと錫が内部に拡散してニオブ繊維と
反応して、Nb₃Snの極細繊維を多数含んだ線材と
なる。この含有繊維は径が細かく間隔も狭いため
繊維自体が強化の役目を果して線材自身の強度を
高めると共に曲げや引張りなどによる歪に対する
超電導特性の劣化を少なくすることができる。化
合物系超電導線材では臨界電流劣化の開始歪が約
１％以上であることが実用上の目標値となつてい
るが、この線材はこの条件を充分に満足するもの
である。この製法において溶製された銅−ニオブ
合金基体はなるべく強度の加工を行つた方が繊維
の密度が高くなり超電導特性ならびに機械的特性
が向上する。 さらに、最近になつて強磁界での臨界電流容量
を高めるために、銅−ニオブ合金基体にＮ族元素
であるチタン等を少量添加することによつて強磁
界特性の著しい改善が得られた繊維分散型Nb₃Sn
線材の製造法が発明された。（特願昭56−121478
（特開昭58−23109号））。この製法では銅−ニオブ
合金基体内に添加したａ族元素がNb₃Snフイラ
メントの拡散生成を促進させるほか、その一部が
Nb₃Sn化合物相内に固溶して、強磁界中での臨界
電流容量を著しく高める作用を有する。しかし、
この製造法において、銅−ニオブ−チタン等の三
元合金は銅−ニオブ二元合金に比べて加工硬化が
大きくなるため、さらに加工の容易な合金基体を
用いてチタン等を添加出来る方法の開発が望まれ
ていた。 本発明は従来法の難点を克服するためになされ
たものであり、その目的はその製造が容易で、且
つ強磁界での超電導特性と機械的特性の優れた繊
維分散型Nb₃Sn超電導線材の製造法を提供するに
ある。 本発明は10〜60原子％のニオブを含む銅−ニオ
ブ合金基体と２〜90原子％チタンを含むニオブ−
チタン合金基体または0.1〜10原子チタンを含む
銅−チタン合金基体との複合体を作製し、これを
線、テープあるいは管に加工した後、錫を被覆す
るか、あるいは、前記複合体にさらに錫基体を複
合して複合体を作製して線、テープあるいは管に
加工した後、400〜900℃で拡散熱処理を行い
Nb₃Sn化合物極細繊維を生成させる方法を特徴と
する。 銅中のチタンの拡散は極めて速やかであるた
め、銅−ニオブ合金基体に複合させるニオブ−チ
タン合金基体あるいは銅−チタン合金基体に含ま
れるチタンは錫の拡散熱処理のとき、同時に線材
全体に拡散する。その結果、添加されたチタンは
Nb₃Sn極細繊維の生成を促進させるほか、一部が
Nb₃Sn化合物相内に固溶して、Nb₃Snの強磁界特
性を著しく改善させる。また、Nb₃Sn層中に固溶
しないで残存したチタンは線材の機械的強度を増
加させるのに役立つ。なお、銅−ニオブ合金基体
内のニオブ含量は10〜60原子％であることが必要
であり、10原子％未満であると線材内部のニオブ
繊維密度が小さくなり、繊維間隔が大きくなつて
超電導特性が低下する。また、60原子％を越える
と銅−ニオブ合金基体の加工性が劣化するほか、
錫の線材全体への均一な拡散が困難となつて超電
導特性および機械的特性を低下させる。 ニオブ−チタン合金基体内のチタンの含有量は
２〜90原子％の範囲が望ましく、２原子％未満で
あるとチタンの添加による明瞭な改善効果が得ら
れない。 一方、チタン含有量が90原子％を超えるとニオ
ブ−チタン合金基体の加工性を劣化させるほか、
チタンがNb₃Sn化合物層内に過大に固溶し、超電
導特性をかえつて劣化させる。銅−チタン合金基
体においては、チタン含有量が0.1原子％未満で
あるか、または、チタンが10原子％を超えると上
記のニオブ−チタン合金基体におけるチタン含有
量の場合とそれぞれ同じ理由によつて改善の効果
が得られない。 複合線材に被覆する錫あるいは複合する錫の量
は線材全断面積当り１体積％から50体積％が適量
で、１体積％未満であるとNb₃Sn極細繊維が生成
され難く、50体積％を超えるとNb₃Sn化合物相以
外の化合物が生成されて超電導特性および機械的
特性の点で好ましくない。なお、錫を被覆させる
場合、電気メツキ、溶融メツキあるいは真空蒸着
などの被覆法の適用が可能である。また、錫を被
覆した場合、Nb₃Sn極細繊維を生成させる前に複
合線材内にあらかじめ錫の拡散を図る目的で100
〜400℃において予備熱処理を行つても良い。拡
散熱処理におけるNb₃Sn極細繊維の生成には400
〜900℃の温度範囲が望ましく、400℃より低い温
度ではNb₃Sn極細繊維の生成速度が極めて遅く、
また、超電導特性も劣化させる。900℃を超える
と生成されたNb₃Snの結晶粒が粗大化して超電導
特性を劣化させる。 本発明において用いられる銅−ニオブ合金基
体、ニオブ−チタン合金基体銅−チタン合金基体
および錫基体はすべて加工性がすぐれているた
め、これらの複合体の加工が著しく容易となる。
その結果、中間焼鈍を省いて細線への加工が可能
となるため、銅−ニオブ−チタン三元合金基体を
用いた場合より製造コストが軽減させるほか、線
材の超電導特性がさらに向上する。なお、ニオブ
−チタン合金基体あるいは銅−チタン合金基体に
残存するチタンにより線材自身の機械的強度が高
められ、補強材の使用が不要となる。また、添加
元素としてのチタンはNb₃Sn極細繊維の生成を促
進するだけでなく、Nb₃Sn化合物層内に固溶する
ことにより、臨界磁界を向上させ、15テスラ以上
での臨界電流を顕著に増加させる。なお、拡散工
程では充分な量の錫を複合体の外部あるいは内部
から拡散させて供給することが出来るので、
Nb₃Sn極細繊維が大量に生成されて離界電流の大
きな線材が作成できる。このようにして線材の超
電導特性と機械的特性が改善されるため、各種超
電導利用機器の性能向上がえられるほか、小型化
による冷却コストの軽減が達成されて、さらに、
広い範囲への利用の道を開くことが出来る。 ３−５ 実施例 実施例 １ 銅とニオブを複合した消耗電極を用いたアーク
溶解により銅−30原子％ニオブ合金基体を溶製し
たのち、機械加工により外径30mmに加工した。別
に、ニオブ−50原子％チタン合金基体および銅−
３原子％チタン合金基体をアーク溶解と機械加工
により、それぞれ2.1mmφと2.8mmφの棒に加工
し、前述の銅−ニオブ合金基体にいずれかをそれ
ぞれ７本づつ挿入して複合体を作製した。この複
合体を中間焼鈍なしに溝ロールおよび線引きによ
り、外径0.35mmの線に加工した。なお、標準試料
としてチタン合金基体を挿入しない試料も同時に
作製した。次に、この複合線の外周に厚さ15μｍ
の錫を電気メツキしたのち、アルゴン雰囲気中で
石英管に封入して600℃×100hの拡散熱処理を行
つた。第１図は錫メツキ後の複合線の断面を示
し、図中の１は銅−ニオブ合金基体、２はニオブ
−チタン合金基体あるいは銅−チタン合金基体、
３は錫メツキ層を示す。このように作製した試料
の臨界電流密度、Jcと引張り強度の値を第１表に
示した。表から、ニオブ−チタン合金基体または
銅−チタン合金基体を挿入した試料は挿入しない
標準試料に比べ16テスラの強磁界でJcが著しく大
きくなり、15テスラ以上の強磁界での使用が可能
になることがわかる。通常、２×10⁴A／cm²以上
のJcがあれば超電導線材として使用可能と考えら
れている。なお、引張り強度もチタンを加えた合
金基体の挿入により標準試料に比べて明瞭に高い
値を示す。 実施例 ２ 実施例１に用いた銅−ニオブ合金基体を外径30
mmに加工し、その中心に8.7mmφの錫棒を挿入し
て、その周囲に2.1mmφのニオブ−50原子％チタ
ン合金棒あるいは2.8mmφの銅−３原子％チタン
棒をそれぞれ６本挿入した複合体を作製した。そ
の断面構造を第２図に示す。図中の１は銅−ニオ
ブ合金基体、２はニオブ−チタン合金基体あるい
は銅−チタン合金基体、４は錫基体を示す。な
お、比較のためにチタンを加えた合金棒を挿入せ
ずに錫棒だけを挿入した標準試料も同時に作製し
た。これらの複合体を溝ロールおよび線引きによ
り中間焼鈍なしで外径0.40mmの線に加工した。次
いでアルゴン雰囲気の石英管に封入したのち、
600℃×100hの拡散熱処理を行つた。これらの試
料について得られた結果を第１表に実施例１とと
もに示す。実施例１と同様に16テスラの強磁界に
おけるJcならびに線材の引張り強度がチタンを加
えた合金基体を挿入することによつて著しく高め
られる。 【表】

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の方法における複合体の断面図
で、第１図は錫をメツキした場合、第２図は錫基
体を複合体に形成した場合における断面図であ
る。 １は銅−ニオブ合金基体。２はニオブ−チタン
合金基体あるいは銅−チタン合金基体。３は錫メ
ツキ層。４は錫基体。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 10〜60原子％のニオブを含む銅−ニオブ合金
   基体と、２〜90原子％のチタンを含むニオブ−チ
   タン合金基体または0.1〜10原子％のチタンを含
   む銅チタン合金基体との複合体を作製し、これを
   線、テープあるいは管に加工した後、錫を被覆
   し、400〜900℃で拡散熱処理を行うことを特徴と
   する繊維分散型Nb₃Sn超電導線材の製造法。 ２ 10〜60原子％のニオブを含む銅−ニオブ合金
   基体と、２〜90原子％のチタンを含むニオブ−チ
   タン合金基体または0.1〜10原子％のチタンを含
   む銅−チタン合金基体との複合体に、さらに錫基
   体を複合した複合体を作製し、これを線、テープ
   あるいは管に加工した後、400〜900℃で拡散熱処
   理を行うことを特徴とする繊維分散型Nb₃Sn超電
   導線材の製造法。