JP3603535B2

JP3603535B2 - Method for producing Nb3Al-based superconducting conductor

Info

Publication number: JP3603535B2
Application number: JP11107497A
Authority: JP
Inventors: 源三岩城; 州洋福田; 和彦中川; 英純森合; 勤丹治
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 1997-04-28
Filing date: 1997-04-28
Publication date: 2004-12-22
Anticipated expiration: 2017-04-28
Also published as: JPH10302557A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｎｂ₃Ａｌ系超電導導体の製造方法に係り、特に、１０Ｔ以上の高磁界中で使用されるＮｂ₃Ａｌ系超電導導体の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
高エネルギー粒子加速器におけるベンディング超電導マグネットには、Ｎｂ−Ｔｉ合金系超電導線材からなる素線を多数本撚り合わせた断面形状が平角の大電流容量撚線導体が用いられ、核融合実験炉における高磁界超電導マグネットには、Ｎｂ₃Ｓｎ系化合物超電導線材を素線とした大電流容量平角撚線導体が用いられてきた。
【０００３】
また、大断面積の単一導体（モノリス導体）を用いたＮｂ−Ｔｉ合金系、或いはＮｂ₃Ｓｎ系化合物超電導導体が、大電流超電導導体として用いられてきた。
【０００４】
大規模超電導マグネットシステムは、年々、発生磁界が高くなってきている。
Ｎｂ−Ｔｉ合金系超電導線材を素線とした撚線導体では、Ｎｂ−Ｔｉ合金系超電導体の臨界磁界が低いため、適用可能な磁界レベルは運転温度が４．２Ｋで７Ｔ程度、１．８Ｋで１０Ｔ程度であり、このレベル以上の超電導マグネットシステムには適用不可能である。
【０００５】
これに対して、Ｎｂ₃Ｓｎ系化合物超電導線材を素線とした撚線導体では、臨界磁界が２５Ｔと高いため、高磁界マグネット用導体として適用可能である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、一般的に、Ｎｂ₃Ｓｎ系化合物超電導導体は、機械的歪みによる超電導特性、特に臨界電流特性の劣化が著しいという問題を有している。また、高磁界中で大電流を通電した場合、導体には巨大な電磁力が作用するため、この歪感受性により性能が劣化してしまうおそれがある。
【０００７】
これを防ぐためには、補強材を組込む等の複雑な対策が必要であり、マグネット製作コストおよびマグネット自体の性能の問題となっている。
【０００８】
また、大断面積のモノリス導体では、導体長に制約が生じるため、大量の導体を必要とする大規模超電導マグネットに適用する場合、必然的に接続部が多くなり、マグネットの不安定性を助長するおそれがある。さらに、上述した問題も加味される。
【０００９】
そこで本発明は、上記課題を解決し、容易に、かつ、低コストで、高磁界中で大電流を安定して通電することが可能なＮｂ₃Ａｌ系超電導導体の製造方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために請求項１の発明は、Ｎｂ／Ａｌ複合体を金属管内に挿入して多芯ビレットを形成し、その多芯ビレットに減面加工を施して線材を形成し、その線材に高温加熱・急冷処理を施してＮｂ／Ａｌ複合体を体心立方構造のＮｂ−Ａｌ合金系過飽和固溶体に変質させた後、その線材を複数本撚り合わせて撚線を形成し、その撚線に６００〜８００℃の熱処理を施すことによって、上記Ｎｂ−Ａｌ合金系過飽和固溶体からＮｂ ₃ Ａｌ系超電導化合物相を析出させる方法であって、上記体心立方構造のＮｂ−Ａｌ合金系過飽和固溶体が、Ｎｂ或いはＮｂ基合金とＡｌ或いはＡｌ基合金との組成比が略化学量論組成であるＮｂ／Ａｌ複合体に高温加熱・急冷処理を施してなるものであることを特徴とする方法である。
【００１１】
請求項２の発明は、上記高温加熱・急冷処理が、１，２００℃以上の加熱および５００℃／秒以上の冷却速度である請求項１記載のＮｂ ₃ Ａｌ系超電導導体の製造方法である。
【００１２】
以上の構成によれば、高融点金属マトリックス中に複数本配置された体心立方構造のＮｂ−Ａｌ合金系過飽和固溶体フィラメントから略化学量論組成のＮｂ₃Ａｌ系超電導化合物相を析出生成させてなる素線で構成されているため、容易に、かつ、低コストで、高磁界中で大電流を安定して通電することが可能なＮｂ₃Ａｌ系超電導導体を得ることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
【００１４】
本発明のＮｂ₃Ａｌ系超電導導体は、高融点金属マトリックス中に複数本配置された体心立方構造のＮｂ−Ａｌ合金系過飽和固溶体フィラメントから略化学量論組成のＮｂ₃Ａｌ系超電導化合物相を析出生成させてなる素線で構成されるものである。Ｎｂ−Ａｌ系過飽和固溶体フィラメントは、その前駆体であるＮｂ／Ａｌ複合体フィラメントから形成されるものである。
【００１５】
高融点金属マトリックスが占める断面積比は、素線の全断面積の１０〜７０％である。
【００１６】
高融点金属マトリックスの材料としては、特に限定しないが、Ｎｂ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｔｉ、Ｗ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、或いはこれらの金属を基とする合金が望ましい。
【００１７】
Ｎｂ或いはＮｂ基合金とＡｌ或いはＡｌ基合金からなるＮｂ／Ａｌ複合体を形成する場合、両者間の変形抵抗差が非常に大きいため、Ｎｂ／Ａｌ複合体を健全に形成することが大きな課題となり、Ｎｂ／Ａｌ複合体に健全性が欠ける場合、Ｎｂ／Ａｌ系過飽和固溶体を生成させるための高温加熱・急冷処理を良好に行うことができない。
【００１８】
Ｎｂ／Ａｌ複合体としては、健全に形成されたものであれば特に限定するものではなく、様々な種類のものが挙げられるが、例えば、Ｎｂ／Ａｌ積層複合体、Ｎｂ或いはＮｂ基合金チューブにＡｌ或いはＡｌ基合金ロッドを挿入したもの、Ｎｂ或いはＮｂ基合金とＡｌ或いはＡｌ基合金の冷間接合シート細片から形成されるもの等が挙げられる。
【００１９】
Ｎｂ／Ａｌ積層複合体では、その形成母材として、薄肉（シート状）のＮｂ或いはＮｂ基合金材とＡｌ或いはＡｌ基合金材を用いることが可能であり、Ｎｂ−Ａｌ系過飽和固溶体を生成するに十分なＮｂ／Ａｌ複合体（Ｎｂ／Ａｌ積層複合体）を低加工度で形成することができる。
【００２０】
次に、本発明の方法を説明する。
【００２１】
Ｎｂ₃Ａｌ系超電導線材は、Ｎｂ₃Ａｌ系超電導化合物相が略化学量論組成の場合、
Ｎｂ₃Ｓｎ系化合物超電導線材以上の高磁界特性が得られるものの、化学量論組成のＮｂ₃Ａｌ系超電導化合物相は、１，５００℃以上の高温でのみ安定に存在することができる非平衡相である。このため、Ｎｂ₃Ｓｎ系化合物超電導線材のように、１，０００℃以下の拡散反応による化合物生成熱処理では、化学量論組成のＮｂ₃Ａｌ系超電導化合物相は生成されないのが一般的である。
【００２２】
本発明において、略化学量論組成のＮｂ₃Ａｌ系超電導化合物相を生成することができる理由を以下に説明する。
【００２３】
先ず、金属管内に、Ｎｂ或いはＮｂ基合金とＡｌ或いはＡｌ基合金との組成比が略化学量論組成になるように形成した複数本のＮｂ／Ａｌ複合体フィラメントを束ねたものを挿入配置してビレットを形成する。
【００２４】
次に、ビレットに押出加工と伸線加工を施して線材を形成すると共に、この線材に、１，２００℃以上の加熱および５００℃／秒以上の冷却速度からなる高温加熱・急冷処理を施す。
【００２５】
この高温加熱・急冷処理により、Ｎｂ／Ａｌ複合体が体心立方構造を有するＮｂ−Ａｌ合金系過飽和固溶体に変態する。このようにして変態生成したＮｂ−Ａｌ合金系過飽和固溶体は延性を有するため、高温加熱・急冷処理後の成形加工および撚線加工が可能である。
【００２６】
その後、線材に更に熱処理を施すことにより、Ｎｂ−Ａｌ合金系過飽和固溶体フィラメントから略化学量論組成のＮｂ₃Ａｌ系超電導化合物相が析出し、高磁界特性および耐歪特性に優れたＮｂ₃Ａｌ系超電導導体を得る。
【００２７】
Ｎｂ−Ａｌ系過飽和固溶体から略化学量論組成のＮｂ₃Ａｌ系超電導化合物相を析出生成するための熱処理は、６００〜８００℃の実用的な温度域で十分である。
【００２８】
すなわち、本発明のＮｂ₃Ａｌ系超電導導体においては、Ｎｂ／Ａｌ複合体に高温加熱・急冷処理を施してＮｂ−Ａｌ合金系過飽和固溶体に変態させ、このＮｂ−Ａｌ系過飽和固溶体から略化学量論組成のＮｂ₃Ａｌ系超電導化合物相を析出生成させているため、６００〜８００℃の実用的な温度域の熱処理で、容易に、かつ、低コストで、高磁界中で大電流を安定して通電することが可能なＮｂ₃Ａｌ系超電導導体を得ることができる。
【００２９】
次に、本発明の他の実施の形態を説明する。
【００３０】
本発明のＮｂ₃Ａｌ系超電導導体は、素線単体からなるものであった。
【００３１】
第１の実施の形態のＮｂ₃Ａｌ系超電導導体の横断面図を図２に示す。
【００３２】
図２に示すように、第１の実施の形態のＮｂ₃Ａｌ系超電導導体１１は、撚線導体を構成する各素線１４が高融点金属マトリックス１２中に複数本配置された体心立方構造のＮｂ−Ａｌ合金系過飽和固溶体フィラメント１３から略化学量論組成のＮｂ₃Ａｌ系超電導化合物相を析出生成させたものからなっている。
【００３３】
第１の実施の形態のＮｂ−Ａｌ合金系過飽和固溶体フィラメント１３も、本発明のＮｂ−Ａｌ合金系過飽和固溶体フィラメントと同様に、その前駆体であるＮｂ／Ａｌ複合体フィラメントに高温加熱・急冷処理を施して形成されるものである。
【００３４】
このようにして変態生成したＮｂ−Ａｌ合金系過飽和固溶体は延性を有するため、高温加熱・急冷処理後の素線の撚線加工および撚線導体の矩形断面成形加工が可能となる。ここで、Ｎｂ₃Ａｌ系超電導導体１１の断面形状を矩形としたのは、矩形断面とすることで、マグネット巻線断面内のＮｂ₃Ａｌ系超電導導体の充填率を高くすることが可能となるためである。
【００３５】
本実施の形態のＮｂ₃Ａｌ系超電導導体においても、本発明と同様の作用効果を奏することは言うまでもない。
【００３６】
第１の実施の形態のＮｂ₃Ａｌ系超電導導体１１では、超電導導体において一般的なＣｕ等の安定化材の複合が、素線の作製過程における高温加熱・急冷処理のために困難である。
【００３７】
本発明および第１の実施の形態のＮｂ₃Ａｌ系超電導導体は、高磁界特性および高い臨界温度を有し、かつ、基本的には温度マージンが高いため、安定化材を複合しなくても超電導マグネットに適用可能であるが、大電流通電下で外部擾乱が発生した場合には、本発明および第１の実施の形態のＮｂ₃Ａｌ系超電導導体においても熱暴走するおそれがある。
【００３８】
そこで、第２の実施の形態のＮｂ₃Ａｌ系超電導導体は、熱暴走防止のため、安定化金属線材を素線と共に撚線して撚線導体を形成するものである。
【００３９】
第２の実施の形態のＮｂ₃Ａｌ系超電導導体の横断面図を図３に示す。
【００４０】
すなわち、図３に示すように、第２の実施の形態のＮｂ₃Ａｌ系超電導導体２１は、撚線導体が高融点金属マトリックス２２中に複数本配置された体心立方構造のＮｂ−Ａｌ合金系過飽和固溶体フィラメント２３から略化学量論組成のＮｂ₃Ａｌ系超電導化合物相を析出生成させてなる複数本（図中では３本の）素線２４と、複数本（図中では６本）の安定化金属線材２５とで構成されたものである。
【００４１】
安定化金属線材２４が占める断面積比は、Ｎｂ₃Ａｌ系超電導導体２１の全断面積の７０％以内である。
【００４２】
安定化金属線材２４の材料としては、特に限定しないが、導体自体の安定性マージンにより、残留抵抗比が２５以上のＣｕ、Ａｌ、Ａｇ、或いはこれらの金属を基とする合金が望ましい。
【００４３】
本実施の形態のＮｂ₃Ａｌ系超電導導体は、本発明および第１の実施の形態のＮｂ₃Ａｌ系超電導導体と比較して特性はやや劣るものとなるが、安定性を大幅に向上させることができるという新たな作用効果を奏する。
【００４４】
【実施例】
（実施例１）
Ｎｂ素線の横断面図を図１に示す。
【００４５】
図１に示すように、工業用純Ｎｂ管内（図示せず）に、工業用純Ｎｂロッド４の周りに、工業用純Ｎｂシート（図示せず）と工業用純Ａｌシート（図示せず）を密巻きして形成したＮｂ／Ａｌ積層複合体（Ｎｂ／Ａｌ複合体；図示せず）を３６本束ねて挿入してビレット（図示せず）を形成する。
【００４６】
このビレットに押出加工と伸線加工を施して、直径０．５ｍｍの線材（図示せず）を形成する。その後、この線材に高温加熱・急冷処理を施して、Ｎｂ／Ａｌ積層複合体のＮｂ／Ａｌ層をＮｂ−Ａｌ合金系過飽和固溶体５に相変態させて、Ｎｂ素線（素線）１を作製する。
【００４７】
Ｎｂマトリックス素線１は、Ｎｂマトリックス（高融点金属マトリックス）２中に、直径５９μｍのＮｂ−Ａｌ合金系過飽和固溶体フィラメント３が３６本配置されてなるものである。この時、Ｎｂマトリックス素線１におけるＮｂマトリックス２部の断面積比は５０％である。
【００４８】
このＮｂマトリックス素線１にツイスト方向がＺ方向、ピッチ１５ｍｍのツイスト加工を施す。
【００４９】
このツイスト加工を施したＮｂマトリックス素線１を９本束ねて撚り合わせて撚り方向がＳ方向、撚りピッチ２０ｍｍで成形撚線し、図２に示したような幅２．３ｍｍ、高さ０．９ｍｍの横断面平角形状のＮｂ₃Ａｌ系超電導導体前駆体を形成する。このＮｂ₃Ａｌ系超電導導体前駆体に８００℃×１０ｈｒの熱処理を施して、Ｎｂ₃Ａｌ系超電導導体を作製する。
【００５０】
（実施例２）
実施例１のＮｂ管の代わりにＴａ管を用い、後は実施例１と同様にして、図２に示したような幅２．３ｍｍ、高さ０．９ｍｍの横断面平角形状のＮｂ₃Ａｌ系超電導導体前駆体を形成する。このＮｂ₃Ａｌ系超電導導体前駆体に８００℃×１０ｈｒの熱処理を施して、Ｎｂ₃Ａｌ系超電導導体を作製する。
【００５１】
（実施例３）
実施例１と同様にして作製した直径０．５ｍｍのＮｂマトリックス素線を３本および同径の安定化銅線６本を束ねて撚り合わせて撚り方向がＳ方向、撚りピッチ２０ｍｍで成形撚線し、図３に示したような幅２．３ｍｍ、高さ０．９ｍｍの横断面平角形状のＮｂ₃Ａｌ系超電導導体前駆体を含む撚線導体を形成する。この時、撚線導体における安定化銅線部の断面積比は６６．７％である。その後、その撚線導体に８００℃×１０ｈｒの熱処理を施して、Ｎｂ₃Ａｌ系超電導導体前駆体をＮｂ₃Ａｌ系超電導導体に生成される。
【００５２】
（比較例１）
Ｎｂ₃Ｓｎ素線の横断面図を図４に、Ｎｂ₃Ｓｎ系超電導導体の横断面図を図５に示す。
【００５３】
図４に示すように、ブロンズ管内（図示せず）に、Ｎｂロッド（図示せず）を挿入してシングルビレットを形成する。このシングルビレットに押出加工と伸線加工を施して、単芯線（図示せず）を形成する。
【００５４】
この単芯線を６，６３１本束ねてＮｂ管内（図示せず）に挿入した後、更に、Ｃｕ管内（図示せず）に挿入してマルチビレット（図示せず）を形成する。
【００５５】
このマルチビレットに押出加工と伸線加工を施して、直径０．５ｍｍのマルチ線（図示せず）を形成する。
【００５６】
Ｎｂ₃Ｓｎ素線３１は、ブロンズマトリックス中に、直径３μｍのフィラメントが６，６３１本配置されてなるブロンズフィラメント複合部３２の外周に、Ｎｂ拡散バリア３３および安定化銅３４が形成されてなるものである。この時、Ｎｂ₃Ｓｎ素線３１における安定化銅部の断面積比は２３％である。
【００５７】
このＮｂ₃Ｓｎ撚線３１を９本束ねて撚り合わせて撚り方向がＳ方向、撚りピッチ２０ｍｍ、幅２．３ｍｍ、高さ０．９ｍｍの横断面平角形状の撚線導体に形成し、その撚線導体に６５０℃×２００ｈｒの熱処理を施して、Ｎｂ₃Ｓｎ系超電導導体５１を作製する。
【００５８】
実施例１〜３のＮｂ₃Ａｌ系超電導導体および比較例１のＮｂ₃Ｓｎ系超電導導体の諸元を表１に示す。
【００５９】
◎【表１】

【００６０】
次に、実施例１〜３のＮｂ₃Ａｌ系超電導導体および比較例１のＮｂ₃Ｓｎ系超電導導体の臨界電流Ｉｃと、各超電導導体を構成する超電導素線の臨界電流Ｉｃとをそれぞれ測定した。
【００６１】
超電導導体および超電導素線の臨界電流Ｉｃの測定には４端子法を用い、巻径４０ｍｍ、巻ピッチ１０ｍｍのコイル状サンプルの２ターン間に電圧測定端子を取り付け、４．２Ｋにおいて各外部磁界（１６Ｔ、１７Ｔ、１８Ｔ、１９Ｔ、２０Ｔ、および２１Ｔ）での臨界電流Ｉｃを測定する。なお、各臨界電流Ｉｃは、０．１μＶ／ｃｍ基準での値である。
【００６２】
各臨界電流Ｉｃの測定結果を表２に示す。
【００６３】
◎【表２】

【００６４】
表２に示すように、実施例１および実施例２のＮｂ₃Ａｌ系超電導導体においては、いずれも超電導素線の臨界電流Ｉｃの約９倍の値が得られた。特に、外部磁界１６Ｔで１，０００Ａを超える臨界電流Ｉｃが得られ、比較例１のＮｂ₃Ｓｎ系超電導導体と比較して、同じ外部磁界における臨界電流Ｉｃは約３倍であり、高磁界中で大電流容量通電が可能である。
【００６５】
また、実施例３のＮｂ₃Ａｌ系超電導導体の臨界電流Ｉｃは、比較例１のＮｂ₃Ｓｎ系超電導導体の臨界電流Ｉｃと略同程度である。これは、実施例３のＮｂ₃Ａｌ系超電導導体においては、安定化銅線６本をＮｂ撚線３本と共に束ねて撚線しており、超電導導体における安定化銅部の断面積比が６７％と高めであることに起因している。
【００６６】
比較例１のＮｂ₃Ｓｎ系超電導導体においては、超電導導体における安定化銅部の断面積比が２３％であり、実施例３のＮｂ₃Ａｌ系超電導導体における断面積比６７％の約１／３である。
【００６７】
すなわち、本発明のＮｂ₃Ａｌ系超電導導体においては、安定化銅材の複合量を、従来の超電導導体であるＮｂ₃Ｓｎ系超電導導体における安定化銅材の複合量の３倍にしても、従来の超電導導体と同等の性能を達成することが可能であり、延いては、超電導体の安定性を大幅に改善することが可能となる。
【００６８】
また、表２の結果からもわかるように、安定化銅線７本をＮｂ撚線２本と共に束ねて撚線した場合、超電導導体における安定化銅部の断面積比が７８％と規定範囲（７０％以内）外となり、明らかに特性が比較例１以下となってしまうため、本発明には不適格となる。
【００６９】
本発明のＮｂ₃Ａｌ系超電導導体は、高エネルギー粒子加速器、核融合炉、および物性研究用の大規模高磁界超電導マグネットに適用することが可能であり、また、本発明のＮｂ₃Ａｌ系超電導導体を適用することにより、それらの実現可能性を飛躍的に高めることができる。
【００７０】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、Ｎｂ／Ａｌ複合体に高温加熱・急冷処理を施してＮｂ−Ａｌ合金系過飽和固溶体に変態させ、このＮｂ−Ａｌ系過飽和固溶体から略化学量論組成のＮｂ₃Ａｌ系超電導化合物相を析出生成させることで、６００〜８００℃の実用的な温度域の熱処理で、容易に、かつ、低コストで、高磁界中で大電流を安定して通電することが可能なＮｂ₃Ａｌ系超電導導体を得ることができるという優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＮｂ₃Ａｌ系超電導導体の横断面図である。
【図２】第１の実施の形態のＮｂ₃Ａｌ系超電導導体の横断面図である。
【図３】第２の実施の形態のＮｂ₃Ａｌ系超電導導体の横断面図である。
【図４】Ｎｂ₃Ｓｎ素線の横断面図である。
【図５】従来の超電導導体であるＮｂ₃Ｓｎ系超電導導体の横断面図である。
【符号の説明】
１Ｎｂマトリックス素線（素線）
２，１２，２２Ｎｂマトリックス（高融点金属マトリックス）
３，１３，２３Ｎｂ−Ａｌ合金系過飽和固溶体フィラメント
５Ｎｂ−Ａｌ合金系過飽和固溶体
１１，２１Ｎｂ₃Ａｌ系超電導導体
１４，２４素線
２５安定化金属線材[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method of manufacturing a Nb ₃ Al superconducting conductor, in particular, to a method for manufacturing a Nb ₃ Al superconducting conductors used in 10T or more high magnetic field in.
[0002]
[Prior art]
The bending superconducting magnet in the high-energy particle accelerator uses a large current capacity stranded conductor with a rectangular cross section formed by twisting a number of strands of Nb-Ti alloy-based superconducting wire. As the superconducting magnet, a high-current-capacity flat-stranded stranded conductor made of an Nb ₃ Sn-based compound superconducting wire has been used.
[0003]
Moreover, single conductor (monolithic conductor) Nb-Ti alloy system using a large cross sectional area, or Nb ₃ Sn compound superconducting conductors have been used as large-current superconductor.
[0004]
A large-scale superconducting magnet system generates a higher magnetic field year by year.
In a stranded conductor using an Nb-Ti alloy-based superconducting wire as a strand, the critical magnetic field of the Nb-Ti alloy-based superconductor is low, so that the applicable magnetic field level is approximately 7T at an operating temperature of 4.2K and 1.8K. Is about 10T, which is not applicable to superconducting magnet systems of this level or higher.
[0005]
On the other hand, a stranded conductor made of an Nb ₃ Sn-based compound superconducting wire as a strand has a high critical magnetic field of 25 T, so that it can be used as a conductor for a high magnetic field magnet.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, in general, the Nb ₃ Sn-based compound superconductor has a problem that the superconducting characteristics, particularly the critical current characteristics, are significantly deteriorated due to mechanical strain. Further, when a large current is applied in a high magnetic field, a huge electromagnetic force acts on the conductor, and the performance may be deteriorated due to the sensitivity to the distortion.
[0007]
In order to prevent this, complicated measures such as the incorporation of a reinforcing material are required, and this poses a problem in magnet manufacturing cost and performance of the magnet itself.
[0008]
In addition, since the conductor length is restricted in a monolithic conductor having a large cross-sectional area, when applied to a large-scale superconducting magnet that requires a large amount of conductors, the number of connection parts inevitably increases, which promotes the instability of the magnet. There is a risk. Further, the above-mentioned problem is taken into consideration.
[0009]
Accordingly, the present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and to provide a method for producing an Nb ₃ Al-based superconductor that can easily and stably conduct a large current in a high magnetic field at a low cost. is there.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the invention of claim 1 is to form a multifilament billet by inserting an Nb / Al composite into a metal tube, perform a surface reduction process on the multifilament billet, form a wire, After the wire is subjected to high-temperature heating / quenching treatment to transform the Nb / Al composite into a body-centered cubic Nb-Al alloy-based supersaturated solid solution, a plurality of the wires are twisted to form a stranded wire, and the stranded wire is formed. by heat treatment of 600 to 800 ° C. in a line, a method of precipitating Nb ₃ Al superconducting compound phase from the Nb-Al alloy system supersaturated solid solution, Nb-Al alloy system supersaturated solid solution of the body-centered cubic structure A high-temperature heating and quenching treatment of an Nb / Al composite having a substantially stoichiometric composition ratio of Nb or an Nb-based alloy to Al or an Al-based alloy. is there.
[0011]
The invention according to claim 2 is the method for producing an Nb ₃ Al-based superconductor according to claim 1 , wherein the high-temperature heating / quenching treatment is performed at a heating rate of 1,200 ° C. or more and a cooling rate of 500 ° C./sec or more .
[0012]
According to the above configuration, a substantially stoichiometric Nb ₃ Al-based superconducting compound phase is precipitated and formed from a body-centered cubic Nb-Al alloy-based supersaturated solid solution filament arranged in a plurality of refractory metal matrices. Therefore, it is possible to obtain an Nb ₃ Al-based superconducting conductor that can easily and stably supply a large current in a high magnetic field at a low cost.
[0013]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
[0014]
Nb ₃ Al superconducting conductor of the present invention, the Nb ₃ Al superconducting compound phase substantially stoichiometric from Nb-Al alloy system supersaturated solid solution filaments plurality of arranged body-centered cubic structure in the high-melting point metal matrix It is composed of strands formed by precipitation. The Nb-Al-based supersaturated solid solution filament is formed from an Nb / Al composite filament which is a precursor thereof.
[0015]
The cross-sectional area ratio occupied by the refractory metal matrix is 10 to 70% of the total cross-sectional area of the strand.
[0016]
The material of the refractory metal matrix is not particularly limited, but Nb, Ta, Zr, Hf, V, Ti, W, Fe, Ni, Cr, or an alloy based on these metals is desirable.
[0017]
When forming an Nb / Al composite composed of Nb or an Nb-based alloy and Al or an Al-based alloy, since the difference in deformation resistance between the two is very large, it is a major issue to form the Nb / Al composite soundly. When the Nb / Al composite lacks soundness, high-temperature heating / quenching treatment for producing an Nb / Al-based supersaturated solid solution cannot be performed satisfactorily.
[0018]
The Nb / Al composite is not particularly limited as long as it is a soundly formed one, and various types of Nb / Al composites may be used. For example, Nb / Al laminated composites, Nb or Nb-based alloy tubes may be used. Examples thereof include those in which Al or an Al-based alloy rod is inserted, and those formed from a cold-bonded sheet strip of Nb or an Nb-based alloy and Al or an Al-based alloy.
[0019]
In the Nb / Al laminated composite, it is possible to use a thin (sheet-shaped) Nb or Nb-based alloy material and Al or an Al-based alloy material as a base material for forming the Nb / Al-based supersaturated solid solution. Nb / Al composite (Nb / Al laminated composite) can be formed with a low degree of processing.
[0020]
Next, the method of the present invention will be described.
[0021]
The Nb ₃ Al-based superconducting wire has a substantially stoichiometric composition in the Nb ₃ Al-based superconducting compound phase.
Although a high magnetic field characteristic higher than that of the Nb ₃ Sn-based compound superconducting wire can be obtained, the stoichiometric composition of the Nb ₃ Al-based superconducting compound phase is a non-equilibrium phase that can exist stably only at a high temperature of 1,500 ° C. or higher. It is. For this reason, in the case of a compound forming heat treatment by a diffusion reaction at 1,000 ° C. or less, such as an Nb ₃ Sn-based compound superconducting wire, an Nb ₃ Al-based superconducting compound phase having a stoichiometric composition is generally not generated.
[0022]
In the present invention, the reason why an Nb ₃ Al-based superconducting compound phase having a substantially stoichiometric composition can be generated will be described below.
[0023]
First, a bundle of a plurality of Nb / Al composite filaments formed so that the composition ratio between Nb or Nb-based alloy and Al or Al-based alloy becomes substantially stoichiometric is inserted and arranged in a metal tube. To form a billet.
[0024]
Next, the billet is extruded and drawn to form a wire, and the wire is subjected to a high-temperature heating / quenching treatment at a heating rate of 1200 ° C. or more and a cooling rate of 500 ° C./sec or more.
[0025]
By this high-temperature heating / quenching treatment, the Nb / Al complex is transformed into an Nb-Al alloy-based supersaturated solid solution having a body-centered cubic structure. Since the Nb-Al alloy-based supersaturated solid solution transformed in this way has ductility, it can be formed after high-temperature heating and quenching, and can be subjected to twisting.
[0026]
Then, by performing further thermal treatment to the wire, Nb-Al alloy system Nb ₃ Al superconducting compound phase substantially stoichiometric from a supersaturated solid solution filaments are precipitated, high field properties and strain resistant properties superior Nb ₃ Al A superconducting conductor is obtained.
[0027]
The heat treatment for precipitating and forming the Nb ₃ Al-based superconducting compound phase having a substantially stoichiometric composition from the Nb-Al-based supersaturated solid solution is sufficient in a practical temperature range of 600 to 800 ° C.
[0028]
That is, in the Nb ₃ Al-based superconducting conductor of the present invention, the Nb / Al composite is subjected to a high-temperature heating / quenching treatment to transform it into an Nb-Al alloy-based supersaturated solid solution, and from the Nb-Al-based supersaturated solid solution to a substantially stoichiometric amount. Nb ₃ Al-based superconducting compound phase of stoichiometric composition is precipitated and generated, and it is easy and at low cost to stabilize a large current in a high magnetic field by heat treatment in a practical temperature range of 600 to 800 ° C. To obtain an Nb ₃ Al-based superconducting conductor which can be energized.
[0029]
Next, another embodiment of the present invention will be described.
[0030]
The Nb ₃ Al-based superconducting conductor of the present invention consisted of a single element wire.
[0031]
FIG. 2 shows a cross-sectional view of the Nb ₃ Al-based superconductor according to the first embodiment.
[0032]
As shown in FIG. 2, the Nb ₃ Al-based superconducting conductor 11 of the first embodiment has a body-centered cubic structure in which a plurality of strands 14 constituting a stranded conductor are arranged in a refractory metal matrix 12. has an Nb ₃ Al superconducting compound phase substantially stoichiometric from those precipitated product from the Nb-Al alloy system supersaturated solid solution filaments 13.
[0033]
Similarly to the Nb-Al alloy-based supersaturated solid solution filament of the present invention, the Nb / Al composite-based supersaturated solid solution filament 13 of the first embodiment is also subjected to high-temperature heating / quenching treatment of the precursor Nb / Al composite filament. Is formed.
[0034]
Since the Nb-Al alloy-based supersaturated solid solution transformed in this way has ductility, it becomes possible to carry out stranded wire processing of the strand after high-temperature heating / quenching treatment and rectangular section forming processing of the stranded wire conductor. Here, the reason why the cross-sectional shape of the Nb ₃ Al-based superconducting conductor 11 is rectangular is that the filling rate of the Nb ₃ Al-based superconducting conductor in the cross section of the magnet winding can be increased by making the cross section rectangular. That's why.
[0035]
It goes without saying that the Nb ₃ Al-based superconducting conductor of the present embodiment also has the same function and effect as the present invention.
[0036]
In the Nb ₃ Al-based superconducting conductor 11 of the first embodiment, it is difficult to combine a general stabilizing material such as Cu in the superconducting conductor due to the high-temperature heating / quenching treatment in the process of producing the strand.
[0037]
The Nb ₃ Al-based superconductor of the present invention and the first embodiment has high magnetic field characteristics and a high critical temperature, and basically has a high temperature margin. Although it can be applied to a superconducting magnet, when an external disturbance occurs under the application of a large current, the Nb ₃ Al-based superconducting conductor of the present invention and the first embodiment may run out of heat.
[0038]
Therefore, in order to prevent thermal runaway, the Nb ₃ Al-based superconducting conductor of the second embodiment forms a stranded conductor by twisting a stabilized metal wire together with a strand.
[0039]
FIG. 3 shows a cross-sectional view of the Nb ₃ Al-based superconductor according to the second embodiment.
[0040]
That is, as shown in FIG. 3, the Nb ₃ Al-based superconducting conductor 21 of the second embodiment is a Nb-Al alloy having a body-centered cubic structure in which a plurality of stranded wire conductors are arranged in a refractory metal matrix 22. (Three in the figure) and a plurality of (six in the figure) wires 24 formed by precipitating and generating an Nb ₃ Al-based superconducting compound phase having a substantially stoichiometric composition from the system-based supersaturated solid solution filament 23. The stabilizing metal wire 25 is used.
[0041]
The cross-sectional area ratio occupied by the stabilizing metal wire 24 is within 70% of the total cross-sectional area of the Nb ₃ Al-based superconductor 21.
[0042]
The material of the stabilizing metal wire 24 is not particularly limited, but is preferably Cu, Al, Ag or an alloy based on these metals having a residual resistance ratio of 25 or more due to the stability margin of the conductor itself.
[0043]
Nb ₃ Al superconducting conductor of the present embodiment, properties compared to Nb ₃ Al superconducting conductor of the present invention and the first embodiment is becomes slightly inferior, be significantly improved stability A new function and effect is achieved.
[0044]
【Example】
(Example 1)
FIG. 1 shows a cross-sectional view of the Nb strand.
[0045]
As shown in FIG. 1, an industrial pure Nb sheet (not shown) and an industrial pure Al sheet (not shown) are provided around an industrial pure Nb rod 4 in an industrial pure Nb pipe (not shown). Are tightly wound to form a billet (not shown) by bundling and inserting 36 Nb / Al composites (Nb / Al complex; not shown).
[0046]
The billet is extruded and drawn to form a wire (not shown) having a diameter of 0.5 mm. Thereafter, the wire is subjected to a high-temperature heating / quenching treatment to transform the Nb / Al layer of the Nb / Al laminated composite into a Nb-Al alloy-based supersaturated solid solution 5 to produce an Nb wire (wire) 1. I do.
[0047]
The Nb matrix element wire 1 is composed of Nb matrix (high melting point metal matrix) 2 and 36 Nb-Al alloy-based supersaturated solid solution filaments 3 having a diameter of 59 μm. At this time, the cross-sectional area ratio of the Nb matrix 2 in the Nb matrix element wire 1 is 50%.
[0048]
This Nb matrix element wire 1 is subjected to a twisting process with a twist direction of Z direction and a pitch of 15 mm.
[0049]
Nineteen twisted Nb matrix wires 1 are bundled and twisted to form a stranded wire with a twist direction of S direction and a twist pitch of 20 mm, and a width of 2.3 mm and a height of 0.3 mm as shown in FIG. A Nb ₃ Al-based superconductor precursor having a rectangular cross section of 9 mm is formed. This Nb ₃ Al-based superconducting conductor precursor is subjected to a heat treatment at 800 ° C. × 10 hr to produce an Nb ₃ Al-based superconducting conductor.
[0050]
(Example 2)
A Ta tube was used in place of the Nb tube of the first embodiment, and thereafter, in the same manner as in the first embodiment, Nb ₃ Al having a rectangular cross section of 2.3 mm in width and 0.9 mm in height as shown in FIG. A superconducting precursor is formed. This Nb ₃ Al-based superconducting conductor precursor is subjected to a heat treatment at 800 ° C. × 10 hr to produce an Nb ₃ Al-based superconducting conductor.
[0051]
(Example 3)
Three Nb matrix strands having a diameter of 0.5 mm produced in the same manner as in Example 1 and three stabilized copper wires of the same diameter are bundled and twisted to form a twisted wire in the S direction and a twist pitch of 20 mm. Then, as shown in FIG. 3, a stranded conductor including a Nb ₃ Al-based superconducting conductor precursor having a rectangular cross section having a width of 2.3 mm and a height of 0.9 mm is formed. At this time, the cross-sectional area ratio of the stabilized copper wire portion in the stranded conductor is 66.7%. Thereafter, the stranded conductor is subjected to a heat treatment at 800 ° C. for 10 hours to produce an Nb ₃ Al-based superconductor precursor into an Nb ₃ Al-based superconductor.
[0052]
(Comparative Example 1)
FIG. 4 shows a cross-sectional view of the Nb ₃ Sn strand, and FIG. 5 shows a cross-sectional view of the Nb ₃ Sn superconductor.
[0053]
As shown in FIG. 4, an Nb rod (not shown) is inserted into a bronze tube (not shown) to form a single billet. The single billet is subjected to extrusion and wire drawing to form a single core wire (not shown).
[0054]
After bundling 6,631 single core wires and inserting them into an Nb tube (not shown), they are further inserted into a Cu tube (not shown) to form a multi billet (not shown).
[0055]
The multi billet is extruded and drawn to form a multi wire (not shown) having a diameter of 0.5 mm.
[0056]
The Nb ₃ Sn strand 31 is formed by forming an Nb diffusion barrier 33 and a stabilized copper 34 on the outer periphery of a bronze filament composite portion 32 in which 6,631 filaments having a diameter of 3 μm are arranged in a bronze matrix. It is. At this time, the cross-sectional area ratio of the stabilized copper portion in the Nb ₃ Sn strand 31 is 23%.
[0057]
Nine Nb ₃ Sn stranded wires 31 are bundled and twisted to form a stranded conductor having a rectangular cross section with a twisting direction of S direction, a twist pitch of 20 mm, a width of 2.3 mm, and a height of 0.9 mm. The wire conductor is subjected to a heat treatment at 650 ° C. × 200 hr to produce an Nb ₃ Sn-based superconducting conductor 51.
[0058]
Table 1 shows the specifications of the Nb ₃ Al-based superconductor of Examples 1 to _{3 and} the Nb ₃ Sn-based superconductor of Comparative Example 1.
[0059]
◎ [Table 1]

[0060]
It was then measured and the critical current Ic of the Nb ₃ Sn based superconducting conductor of Nb ₃ Al superconducting conductor and Comparative Example 1 of Examples 1 to 3, and a critical current Ic of the superconducting wire constituting the respective superconducting conductors respectively .
[0061]
The critical current Ic of the superconducting conductor and the superconducting element wire is measured using a four-terminal method, and a voltage measuring terminal is attached between two turns of a coiled sample having a winding diameter of 40 mm and a winding pitch of 10 mm. The critical current Ic at 16T, 17T, 18T, 19T, 20T, and 21T) is measured. Each critical current Ic is a value based on 0.1 μV / cm.
[0062]
Table 2 shows the measurement results of each critical current Ic.
[0063]
◎ [Table 2]

[0064]
As shown in Table 2, in each of the Nb ₃ Al-based superconducting conductors of Example 1 and Example 2, a value approximately nine times the critical current Ic of the superconducting element wire was obtained. In particular, a critical current Ic exceeding 1,000 A was obtained at an external magnetic field of 16 T, and the critical current Ic at the same external magnetic field was about three times that of the Nb ₃ Sn-based superconducting conductor of Comparative Example 1. With this, a large current capacity can be supplied.
[0065]
Further, the critical current Ic of the Nb ₃ Al-based superconductor of Example 3 is substantially the same as the critical current Ic of the Nb ₃ Sn-based superconductor of Comparative Example 1. This is because in the Nb ₃ Al-based superconducting conductor of Example 3, six stabilized copper wires were bundled together with three Nb stranded wires and twisted, and the cross-sectional area ratio of the stabilized copper portion in the superconducting conductor was 67%. This is due to the high percentage.
[0066]
In the Nb ₃ Sn-based superconducting conductor of Comparative Example 1, the cross-sectional area ratio of the stabilized copper portion in the superconducting conductor is 23%, which is about 1/67 of the cross-sectional area ratio of 67% in the Nb ₃ Al-based superconducting conductor of Example 3. 3.
[0067]
That is, in the Nb ₃ Al-based superconducting conductor of the present invention, even if the composite amount of the stabilized copper material is three times the composite amount of the stabilized copper material in the conventional superconducting Nb ₃ Sn-based superconductor, It is possible to achieve the same performance as that of the conventional superconductor, and it is possible to greatly improve the stability of the superconductor.
[0068]
Also, as can be seen from the results in Table 2, when seven stabilized copper wires are bundled and twisted together with two Nb stranded wires, the cross-sectional area ratio of the stabilized copper portion in the superconducting conductor is 78%, which is a specified range ( (Within 70%), and the characteristics are clearly lower than Comparative Example 1, which is not suitable for the present invention.
[0069]
Nb ₃ Al superconducting conductor of the present invention, high-energy particle accelerator, it is possible to apply to a large-scale high magnetic field superconducting magnet for a nuclear fusion reactor, and Physics Research, also, Nb ₃ Al superconducting of the present invention By applying conductors, their feasibility can be dramatically increased.
[0070]
【The invention's effect】
In short, according to the present invention, the Nb / Al composite is subjected to high-temperature heating / quenching treatment to transform it into a Nb-Al alloy-based supersaturated solid solution, and from this Nb-Al-based supersaturated solid solution, Nb ₃ Al having a substantially stoichiometric composition. By precipitating and generating a system superconducting compound phase, it is possible to easily and at a low cost, stably conduct a large current in a high magnetic field with a heat treatment in a practical temperature range of 600 to 800 ° C. An excellent effect that an Nb ₃ Al-based superconducting conductor can be obtained is exhibited.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of an Nb ₃ Al-based superconductor according to the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view of the Nb ₃ Al-based superconductor according to the first embodiment.
FIG. 3 is a cross-sectional view of an Nb ₃ Al-based superconductor according to a second embodiment.
FIG. 4 is a cross-sectional view of an Nb ₃ Sn element wire.
FIG. 5 is a cross-sectional view of an Nb ₃ Sn-based superconductor, which is a conventional superconductor.
[Explanation of symbols]
1 Nb matrix element wire (element wire)
2,12,22 Nb matrix (high melting point metal matrix)
3,13,23 Nb-Al alloy system supersaturated solid solution filament 5 Nb-Al alloy system supersaturated

solid solution

11 and 21 Nb ₃

Al superconducting conductor

14, 24 wire 25 stabilizing metal wire

Claims

The Nb / Al composite is inserted into a metal tube to form a multifilament billet, the multifilament billet is subjected to surface reduction processing to form a wire, and the wire is subjected to high-temperature heating / quenching treatment to form an Nb / Al composite. After transforming the body into an Nb-Al alloy-based supersaturated solid solution having a body-centered cubic structure, a plurality of the wires are twisted to form a stranded wire, and the stranded wire is subjected to a heat treatment at 600 to 800 ° C. A method for precipitating an Nb ₃ Al-based superconducting compound phase from an Nb-Al alloy-based supersaturated solid solution , wherein the body-centered cubic Nb-Al alloy-based supersaturated solid solution is composed of Nb or an Nb-based alloy and Al or an Al-based alloy. A method for producing an Nb ₃ Al-based superconducting conductor , comprising subjecting an Nb / Al composite having a substantially stoichiometric composition to high-temperature heating and quenching .

The high-temperature heat-quenching treatment, Nb ₃ Al superconducting conductor manufacturing method according to claim 1, wherein the heating and 500 ° C. / sec or more cooling rate of more than 1,200 ° C..