WO2000017890A1 - Method for producing aluminum-stabilized super conductive wire - Google Patents

Description

ア ル ミ ニ ゥ ム安定化超電導線の製造方法

技術分野

本発明は、 熱的電気的安定性に優れ、 かつマ グネ ッ ト な ど 明

に使用 した と き に発生する電磁力に よ り 変形する こ と のない、 充分な機械的強度を有する ア ル ミ ニ ウ ム安定化超電導線を、 書

生産性良 く 製造する方法に関する - 背景技術

超電導線は、 銅または銅合金マ ト リ ッ ク ス 中に N b — T i 合金な どの超電導フ ィ ラ メ ン ト を埋込み、 その外周 に、 通常、 安定化材と して銅を被覆する こ と に よ り 構成 されている。

近年、 熱的電気的安定性の指標 と な る 残留抵抗比 （ 3 0 0 Kにおける電気抵抗値と 1 0 Kにおけ る 電気抵抗値 と の比） が銅よ り 遙かに大き い高純度ア ル ミ ニ ウ ムを安定化材 と して 用いたア ル ミ ニ ゥ ム安定化超電導線が開発 された。

こ の ア ル ミ ニ ゥ ム安定化超電導線は、 ア ル ミ ニ ウ ム の比重 が銅の約 1 Z 3 と 軽いため、 マ グネ ッ ト な どの軽量化を図 る こ と ができ 、 また、 アル ミ ニ ウ ムは銅よ り 素粒子透過性に優 れている ため、 高エ ネルギー物理学分野で多用 されている素 粒子検出用マ グネ ッ ト に有利に用いる こ と が出来る _c

そ して、 こ の よ う な ア ル ミ ニ ウ ム安定化超電導線は、 単芯 超電導線ま たは多芯超電導撚線な どの超電導線の周囲に、 ァ /レ ミ 二 ゥ ム を誘導加熱ま たは摩擦発熱な どに よ り 、 3 5 0 °C 〜 5 5 0 C程度の温度に急速加熱 して押出被覆する 方法に よ り 製造 されている。

と こ ろで、 大型マグネ ッ ト な どでは、 超電導線に多大な電 磁力が加わる ため、 高純度アルミ ニ ウ ム を用いたア ル ミ ユ ウ ム安定化超電導線は、 電磁力 によ り 変形 して しま う 恐れがあ る。 こ こ で、 アル ミ ニ ウ ム安定化超電導線を冷間加工 してァ ル ミ ニ ゥ ム安定化材を加工硬化 させる こ と が考え られる が、 高純度アル ミ ニ ウ ム安定化材は、 冷間加工 して も機械的強度 の顕著な向上は望めない - この よ う な こ と か ら 、 安定化材を、 高純度アル ミ ニ ウ ム に 代わっ てア ル ミ ニ ウ ム合金で構成する方法が検討される よ う になつ た ₂

し力、 し、 アル ミ ニ ウ ム合金の中では、 C u 、 Z n 、 S i 、 M g な どの固溶型合金元素を添加 した固溶型アル ミ 二 ゥ ム合 金は、 ア ル ミ ニ ウ ム原子の配列格子を固溶元素に よ り 歪ませ て強化 させる ものである ため、 高強度を得る には合金元素 を 多量に固溶 させる 必要がある。 しか し、 固溶元素の多量の添 加は、 導電性を著 し く 低下 さ せる ので、 高強度 と 高導電性の 両立は非常に困難である。

一方、 N i を添加 した析出型ア ル ミ ニ ウ ム合金は、 ア ル ミ ニ ゥ ム に対する N i の固溶限が極めて小 さ レ、ため、 添加 した N i の殆どが凝固時に A 1 と 金属間化合物を形成 し 、 初晶 と して析出 して強度向上に寄与する が、 残 り の極く 少量は過飽 和に固溶 して導電性を著 し く 低下 させて しま う

こ の よ う な過飽和固溶元素を時効析出 させる方法 と して 、 熱間押出被覆時の押出速度を遅 く し 、 押出機内における熱履 歴によ り 時効析出 させる 方法がある が、 生産性が悪 く 、 実用 的でない。 また、 低速押出における熱履歴に よ り 、 N b — T i フ ィ ラ メ ン ト 中の α _ Τ i 析出物や導入転位が消失 して、 磁束ピ ン ニ ン グ効果が損なわれ、 マ グネ ッ ト特性が低下する と レ、 う 問題がある _c

また、 押出被覆後に時効熱処理する方法も ある が、 やは り a - Ύ i 析出物や導入転位が消失 して、 マグネ ッ ト特性が低 下する と レヽ ぅ 問題がある _c

この よ う な こ と か ら 、 本発明者等は、 析出型アル ミ ニ ウ ム 合金を用いたアル ミ ニ ウ ム安定化材の導電性を、 生産性お よ びマ グネ ッ ト特性を低下 させる こ と な く 高め る方法について 研究 し 、 析出型ア ル ミ ニ ウ ム合金に所定の時効熱処理を施 し たのち押出被覆する こ と によ り 、 安定化材の導電性を改善 し 得る こ と を見出 し 、 更に研究を重ね、 本発明 を完成 させる に 至っ た。

従っ て、 本発明は、 熱的電気的安定性に優れ、 かつマ グネ ッ ト な どに使用 した と き に発生する電磁力に よ り 変形する こ と のない、 充分な機械的強度を有する ア ル ミ ニ ウ ム安定化超 電導線を、 生産性良 く 製造する方法を提供する こ と を 目 的 と する。

発明の開示

本発明 に よ る と 、 銅ま たは銅合金マ ト リ ッ ク ス 中 に超電導 フ ィ ラ メ ン ト が埋設 された超電導線の外周の全体ま たは一部 に、 析出型アル ミ ニ ゥ ム合金か らな る安定化材を熱間押出被 覆する 工程を具備する ア ル ミ ニ ゥ ム安定化超電導線の製造方 法において、 前記析出型ア ル ミ ニ ウ ム合金は、 1 0 0 〜 2 5 O O O p p m の N i を含有する A l — N i 合金であ り 、 前記 熱間押出被覆工程の前に、 前記析出型ア ル ミ ニ ウ ム合金か ら なる安定化材に、 2 5 0 °C〜 5 0 0 °Cの温度で、 1 0 分問以 上加熱する 時効熱処理を施す、 アル ミ ニ ウ ム安定化超電導線 の製造方法が提供 される。

図面の簡単な説明

図 1 A 〜 1 Gは、 本発明の方法に よ り 製造 された種々 の A 1 安定化超電導線を示す横断面図である。

発明を実施する ための最良の形態 本発明の方法に よ る と 、 ア ル ミ ニ ウ ム安定化超電導線の安 定化材 と な る ア ル ミ ニ ウ ム に析出型 A 1 一 N i 合金を用い、 こ の析出型 A 1 一 N i 合金に時効熱処理を施 して過飽和 N i を充分に析出 させたのち 、 超電導線材の周囲に熱間押出被覆 を施 してい る ので、 特性に優れた A 1 安定化超電導線を、 生 産性を害する こ と な く 製造する こ と が可能である。

なお、 上述の析出型 A 1 合金は、 超電導線の外周全体に被 覆されて も 、 一部に被覆 されて も、 本発明においては同様に 有効である。

本発明において 、 超電導線 と は、 銅ま たは銅合金パイ プ内 に N b — T i 合金棒を挿入 して複合 ビ レ ツ ト と し、 こ の複合 ビレ ツ ト を熱間押出 し して、 銅パイ プと N b — T i 合金棒 と を一体化 し 、 次いで圧延、 伸線な どの伸延加工を施 して得 ら れる単芯超電導線、 こ の超電導線の多数本を銅ま たは銅合金 パイ プ内に充填 して複合 ビ レ ツ ト と し、 これを前述 と 同様に 加工 し て得 られる 多芯超電導線、 こ の多芯超電導線の多数本 を撚合わせた多芯超電導撚線、 上述の単芯超電導線、 多芯超 電導線、 多芯超電導撚線な どの周囲に高純度 A 1 安定化材を 被覆 した A 1 安定化超電導線な どを含むものである。

本発明において、 析出型アル ミ ニ ウ ム合金の添加元素を N i と した理由 は、 N i はアル ミ ニ ウ ムに対する 固溶限が極め て小 さ く 、 時効熱処理に よ り その殆 どを析出 させる こ と が可 能であるか ら である。

また、 N i の添力卩量を 1 0 0 〜 2 5 0 0 0 p p m と した理 由は、 1 0 0 p p m未満では添加量が少なすぎて機械的強度 の顕著な向上が得 られず、 一方、 2 5 0 0 0 p p mを越え る と 、 析出物に よ る残留抵抗比の低下が顕著と な り 、 時効熱処 理を し て も残留抵抗比の顕著な向上が得 られないか らである。

一方、 析出型アル ミ ニ ウ ム合金の時効熱処理を、 2 5 0 °C 〜 5 0 0 °Cに限定 した理由は、 2 5 0 °C未満では拡散速度が 遅く 、 過飽和 N i の析出に長時間を要する ため生産性が低下 し、 ま た、 5 0 0 °Cを超える と 時効熱処理中 に N i が多量に 固溶 し 、 こ の固溶元素は熱間押出被覆後 も 固溶量が多 く 、 そ の結果導電性が低下 して高い残留抵抗比が得 られないためで める。

好ま しい時効熱処理の温度は、 2 5 0 °C以上、 [押出温度 + 5 0 ] °C以下で あ り 、 よ り 好ま し く は、 3 0 0 °C〜 4 5 0 °Cである。

また、 時効熱処理の時間を 1 0 分間以上に限定 した理由は、 1 0 分間未満では、 過飽和 N i の析出が充分に行われず、 高 い残留抵抗比が得 られないためである。 特性の観点か ら は、 時効熱処理時間に上限制約はないが、 生産性 と の兼ね合いか ら、 好ま しい時効熱処理の時間は、 3 0 分間〜 2 5 0 時間で ある。

本発明では、 析出型合金元素 と して N i が用い られる が、 N i と 同様、 アル ミ ニ ウ ム に対する 固溶限が小 さ く 、 かつ凝 固時にア ル ミ ニ ウ ム と の金属間化合物を形成する C e や S b を添加 した析出型アル ミ ニ ゥ ム合金でも 、 それら元素の添加 量を調整すれば、 本発明 と 類似の効果を得る こ と が出来る。

また、 析出型合金元素の他に、 結晶粒度の調整、 電位な ど の調整、 機械的強度の向上、 成形加工性の向上な どを 目 的 と して、 アル ミ ニ ゥ ム に対する 電気抵抗増加率が小 さ い A g 、 A s 、 B i 、 C a 、 C d 、 C u 、 G a 、 M g 、 P b 、 S c 、 S i 、 S n 、 Z n の中か ら選ばれる 1 〜数元素を、 残留抵抗 比を大き く 低下 させない範囲で微量添加 して も 良い。 こ の際、 これら元素の添加量は、 A 1 安定化材の機械的強度 と 残留抵 抗比のバラ ン スが良好に保持 される よ う に制御する 必要があ る。

以下に、 本発明 によ り 製造 される A 1 安定化超電導線につ いて、 図を参照 して具体的に説明する。

図 1 A に示す A 1 安定化超電導線は、 多芯の C u Z N b T i 超電導線 1 1 に時効熱処理後の析出型 A 1 合金安定化材 1 3 を押出被覆 した ものである。

図 1 B に示す A 1 安定化超電導線は、 多芯の C u / N b T i 超電導撚線 1 2 に時効熱処理後の析出型 A 1 合金安定化材 1 3 を押出被覆 した ものである。

図 1 C に示す A 1 安定化超電導線は、 多芯の C u / N b T i 超導電線 1 1 に高純度 （ 9 9 . 9 9 9 w t % ： 5 N ) A 1 1 4 を押出被覆 し た ものを複数撚合わせ、 その上に時効熱処 理後の析出型 A 1 合金安定化材 1 3 を押出被覆 した ものであ 図 1 D に示す A 1 安定化超電導線は、 多芯の C u / N b T i 超電導撚線 1 2 に高純度 （ 5 N ) A 1 安定化材 1 4 を押出 被覆 し、 その上に時効熱処理後の析出型 A 1 合金 1 3 を押出 被覆 した ものである。

図 1 E に示す A 1 安定化超電導線は、 多芯の C u / N b T i 超電導撚線 1 2 に時効熱処理後の析出型 A 1 合金安定化材 1 3 を押出被覆 し、 その上に高純度 （ 5 N ) A 1 安定化材 1 4 を押出被覆 した ものである。

図 1 F に示す A 1 安定化超電導線は、 多芯の C u / N b T i 超電導撚線 1 2 に時効熱処理後の析出型 A 1 合金安定化材 1 3 を押出被覆 し、 押出被覆後の一辺に高純度 （ 5 N ) A 1 安定化材 1 4 を半田付け した ものである。

図 1 G に示す A 1 安定化超電導線は、 多芯の C u / N b T i 超電導撚線 1 2 に時効熱処理後の析出型 A 1 合金安定化材 1 3 を押出被覆 し、 これを断面略コ の字状の銅安定化材 1 5 内に配置 して半田付け し 、 開放部に板状の銅安定化材 1 6 を 半田付け した ものである。 実施例

以下に、 本発明の種々 の実施例を示 し、 本発明 について よ り 詳細に説明する。

(実施例 1 )

銅マ ト リ ッ ク ス 中に N b T i 合金線材を埋め込んだ単芯超 電導線を無酸素銅製パイ プ （外径 2 2 0 m m， 内径 2 0 0 m m ) 内 に 3 1 3 本充填 して複合ビレ ッ ト と し 、 次いで、 こ の 複合ビ レ ツ ト に熱間押出加工および伸線加工を施 して、 外径 0 . 6 m mの多芯 C u Z N b T i 超電導線を作製 した。

一方、 高純度 （ 5 N ) A 1 に N i を l O O O p p m含有 さ せた析出型 A 1 合金材を用意 し、 こ れを本発明 の範囲内 の 種々 の条件で時効熱処理 したのち、 前記多芯 C u Z N b T i 超電導線の外周に 4 5 0 °Cで押出被覆 して、 外径 2 . 4 m m の A 1 被覆棒材を得た。

次に、 こ の A 1 被覆棒材を外径 2 . 1 m mに冷間伸線加工 して、 8 種の図 1 A に示すア ル ミ ニ ウ ム安定化超電導線を製

¾L した。

(実施例 2 )

析出型 A l — N i 合金 と して高純度 （ 5 N ) A 1 に N i を 1 0 0 p p m含有 させた A 1 一 N i 合金を用い、 これを本発 明の範囲內の種々 の条件で時効熱処理 したこ と を除いて、 実 施例 1 と 同様に して 、 3 種の図 1 A に示すアル ミ ニ ウ ム安定 化超電導線を製造 した。

(実施例 3 )

析出型 A 1 — N i 合金 ど して高純度 （ 5 N ) A 1 に N i を 2 5 0 0 0 ^含有させた 1 ー 1^ 〖 合金を用ぃ、 これを 本発明の範囲内の種々 の条件で時効熱処理 したこ と を除いて、 実施例 1 と 同様に して、 3 種の図 1 Aに示すアル ミ ニ ウ ム安 定化超電導線を製造した。

(比較例 1 )

析出型 A 1 合金材の時効熱処理条件を本発明 の範囲外で 種々変化 させたこ と を除いて 、 実施例 1 と 同様に して、 1 3 種の図 1 Aに示すア ル ミ ニ ウ ム安定化超電導線を製造 した。

実施例 1 〜 3 お よび比較例 1 で製造 した各々 の図 1 Aに示 すア ル ミ ニ ウ ム安定化超電導線について 、 残留抵抗比、 4 . 2 Kにおけ る 0 . 2 %耐カ （機械的強度） 、 臨界電流値 （以 下 I c と 略記する） 、 お よびマグネ ッ ト 特性 （タ エ ンチ電流 と最大発生磁界） を調査 した。 その結果を下記表 1 に示す。 なお、 I c は、 得られたア ル ミ ニ ウ ム安定化超電導線か ら 長 さ l m の短尺線を切 り 取 り 、 こ れに液体 H e 中 （ 4 . 2 K ) にて 5 Tの磁場をかけた状態で電流を流 し、 電流を徐々 に増加 させて抵抗が 1 0 —1 3 Ω mに達 した時の電流値で表 し た。

ク ェ ンチ電流 と 最大発生磁界は、 得 られたアル ミ ニ ウ ム安定 化超電導線を内径 2 0 m m、 外径 1 5 O m mの コイ ルに卷レヽ てマグネ ッ ト を作製 し、 タ エ ンチ電流はマグネ ッ ト の超電導 状態が破れた時の電流 と し、 最大発生磁界は中心に置いたホ —ル素子によ り 測定 した。 なお、 マ グネ ッ ト は 2 7 6 A通電 した時に 5 T の磁界が発生する よ う に設計 した ₀ Ni 熱処理条件 残留抵抗比 伸線材 I c ク 工 最大 添加量 温度 時間 押出材 伸線材 の 0. 2% (5T) ンチ 発生

(ppm) (°C ) V m 1 n ) 耐力 (A) 電流 磁界

(Mpa) (A) (T)

1 250 10 320 290 112 277 277 5. 02

2 250 360 980 500 113 278 280 5. 07

3 350 120 1240 550 114 279 284 5. 14

4 450 10 910 470 112 278 280 5. 07

1000

5 450 120 1200 480 115 278 284 5. 14 本

6 450 500 1280 510 115 278 285 5. 16 発

7 500 10 610 370 111 279 278 5. 03 明

8 500 120 430 300 114 277 277 5. 01 口

9 250 10 380 320 79 278 277 5.02

10 100 450 500 1420 620 80 278 278 5. 03

11 500 120 460 300 77 277 276 5. 00

12 250 10 300 250 175 276 276 5. 00

13 25000 450 500 350 280 176 277 277 5.02

14 500 120 310 260 176 276 276 5. 00

15 熱処理な し 150 130 115 276 216 3. 91

16 220 10 190 170 117 277 225 4. 07

17 220 350 250 200 117 277 230 4. 16

1000

18 450 5 280 230 120 277 272 4.93 比 19 530 10 240 210 117 276 236 4. 27 較 20 530 120 240 200 114 276 229 4. 15 例 21 220 120 280 230 81 276 273 4.94

100

a

aa 22 530 120 270 220 79 277 272 4.93

23 220 120 150 120 173 276 208 3. 77

25000

24 530 120 200 160 172 276 230 4. 16

25 50 450 500 1450 700 60 276 232 4.20

26 熱処理な し 100 80 185 276 220 3.98

30000

27 1450 500 170 140 185 275 223 4. 04 上記表 1 よ り 明 らかな よ う に、 本発明例のアル ミ ニ ウ ム安 定化超電導線 （ No. 1 〜 1 4 ) は、 いずれも残留抵抗値、 0 . 2 %耐カ、 I c が高 く 、 しかも ク ェ ンチ電流が 2 7 7 Α以上、 最大発生磁界が 5 T を超え る 良好なマグネ ッ ト特性 （タ エ ン チ電流 と 最大発生磁界） を示 した。

これに対 し 、 比較例品の No. 1 5 は時効熱処理を行わなかつ たため、 No. 1 6， 1 7， 2 1 ， 2 3 は時効熱処理温度が低レヽ ため、 No. 1 8 は時効熱処理時間が短すぎたため、 いずれも過 飽和固溶 している不純物元素が充分に析出出来なかっ た。

一方、 No. 1 9， 2 0 , 2 2， 2 4 は時効熱処理温度が高す ぎたため、 アル ミ ニ ゥ ム 中への不純物元素の固溶限界が大き く 、 固溶量が多 く な つ て しま っ た。 また、 No. 2 5 は N i 析出 量が少なすぎたため、 残留抵抗値は高い も の の 、 機械的強度 が低く 、 機械的な撹乱に よ り ク ェンチ して しま った。

No. 2 6 と 2 7 については、 N i 添加量が多いために金属間 化合物量が多 く 、 残留抵抗比が低すぎて、 時効熱処理の効果 が得 られなかっ た。

以上、 詳細に説明 した よ う に、 本発明 によ る と 、 アル ミ 二 ゥ ム安定化超電導線のア ル ミ ニ ウ ム安定化材 と して、 N i 添 加量が 1 0 0〜 2 5 0 0 0 p p mの析出型 A 1 一 N i 合金を 用い、 こ の析出型 A 1 — N i 合金を、 所定の温度お よび時間、 時効熱処理 したのち、 超電導線に押出被覆 してい る ので、 熱 的電気的安定性に優れ、 かつマグネ ッ ト な どに使用 した と き に発生する電磁力で変形 しない、 充分な機械的強度を有する ア ル ミ ニ ウ ム安定化超電導線を、 生産性良 く 製造する こ と が 可能である。 従っ て、 本発明の方法は、 工業上顕著な効果を奏する。

Claims

請 求 の 範 囲

1 . 銅ま たは銅合金マ ト リ ッ ク ス 中 に超電導フ ィ ラ メ ン ト が埋設 された超電導線の外周 の全体または一部に、 析出型ァ ル ミ ニ ゥム合金か ら なる安定化材を熱間押出被覆する工程を 具備するア ル ミ ニ ウ ム安定化超電導線の製造方法において、 前記析出型ア ル ミ ニ ウ ム合金は、 1 0 0 〜 2 5 0 0 0 p p m の N i を含有する A 1 一 N i 合金であ り 、 前記熱間押出被覆 工程の前に、 前記析出型アル ミ ニ ウ ム合金か らな る安定化材 に、 2 5 0 °C〜 5 0 0 °Cの温度で、 1 0 分間以上加熱する時 効熱処理を施す、 ア ル ミ ニ ゥ ム安定化超電導線の製造方法。

2 . 前記時効熱処理は、 2 5 0 °C以上、 [押出温度 + 5

0 °C ] 以下の温度で行われる請求項 1 に記載の方法。

3 . 前記析出型アル ミ ニ ウ ム合金は、 A s 、 B i 、 C a 、

C d 、 C u 、 G a 、 M g 、 P b 、 S c 、 S i 、 S n 、 お よび

Z n か らな る群か ら選ばれた少な く と も 1 種を含有する A 1

- N i 合金である請求項 1 に記載の方法。

4 . 前記超電導線は、 銅ま たは銅合金マ ト リ ッ ク ス中 に複 数本の超電導フ ィ ラ メ ン ト が埋設 されてな り 、 その外周 に、 高純度ア ル ミ ニ ウ ムか ら な る 安定化材が被覆 されて い る請求 項 1 に記載の方法。

5 . 前記熱間押出被覆工程の後に、 前記安定化材が被覆 さ れた超電導線の全周または 1 部に、 高純度ア ル ミ ニ ウ ムまた は銅か らな る安定化材を被覆する工程を更に具備する請求項 1 に記載の方法 _c