JPS6228526B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は矩形断面をなす幅広の金属マトリツク
ス中にほぼ真円状の超電導芯線を埋設して、電流
異方性を解消せしめた極細多芯化合物超電導ケー
ブルの製造方法に関するものである。

一般に化合物超電導ケーブルはその臨界磁場及
び臨界温度が高いため、高磁場用超電導ケーブル
として好適であることが知られている。この化合
物超電導ケーブルに要求される特性としては例え
ば(1)可撓性に優れ小さな曲げ径に対しても臨界電
流が劣化しないこと、(2)ケーブル断面形状におけ
る電流異方性がないこと、(3)電流密度が大きいこ
と、(4)電流容量が大きいこと、(5)フラツクスジヤ
ンプなどの発生に対する安定性に優れているこ
と、(6)交流損失が少ないこと、(7)機械的強度が優
れていることなどがある。

しかしながら化合物超電導ケーブルは一般に
0.2％以上の歪に対して化合物超電導体に亀裂を
生ずるなど極めて可撓性が劣るため、従来は第１
図に示す如くテーブル状に成形した単芯超電導ケ
ーブルが開発され、超電導マグネツトの製造など
に用いられていた。化合物超電導体としてNb₃Sn
を用いた場合の超電導ケーブルについて説明する
と化合物超電導体の形成金属であるNbテープ１
の表面に、Nb₃Snからなる化合物超電導層２を設
け、更にこの表面にハンダ層３を介して銅からな
る安定化層４を設けたものである。この超電導ケ
ーブルは可撓性に優れているが化合物超電導層２
が矩形状をなしているため電流の異方性が大き
く、特に大電流容量を得るために幅広としたケー
ブルほどこの異方性の影響が大きく、超電導マグ
ネツトを設計する上で大きな問題点となつてい
た。

このため異方性を解消すると共に可撓性の優れ
たケーブル構造として例えば第２図に示す如き撚
線型の極細多芯化合物超電導ケーブルが開発され
ている。このケーブルを化合物超電導体として
V₃Gaを用いた場合について説明するとＶ芯材５
の周囲にV₃Gaからなる化合物超電導層２を設け
た複数本の芯線６…をCu―Ga合金からなるマト
リツクス７中に埋設して素線８とし、この素線８
を補強材９の周囲に６本撚合せ、さらにその外側
及び相互間を安定化層４で被覆、充填した極細多
芯化合物超電導ケーブルである。しかしながらこ
の超電導ケーブルは補強材９を複合した構造であ
ると共に撚線加工してあるためケーブル中に20〜
50％の空隙が存在し、十分な電流密度と電流容量
が得られない問題があつた。

このようなケーブルの問題点を解消するため第
３図に示す如き構造をなす超電導ケーブルが開発
されている。この超電導ケーブルは偏平状をなす
複数本の化合物超電導芯線６…が矩形断面をなす
マトリツクス７中に、その幅方向に沿つて配向し
たものである。このケーブルの製造は化合物超電
導体を形成する成分金属元素の内、第１の金属を
マトリツクスとし、このマトリツクス中に円形断
面をなす第２の金属を芯材として埋設して複合材
を成形した後、この複合材を変形抵抗の小さい熱
間で押出し、圧延して短辺（厚さ）が２mm以下の
矩形断面に仕上げ、しかる後拡散熱処理を行つて
第３図に示す如き化合物超電導芯線６…を形成し
たものである。このように従来の超電導ケーブル
は可撓性をもたせるために通常厚さが２mm以下に
なるまで熱間で圧延するため、前記芯線６は断面
が楕円状に形成されていた。従つてこの超電導ケ
ーブルに磁場をかけた場合、この磁場の方向が芯
線６の横断面長軸方向か短軸方向かによつて、そ
の臨界電流値が異なつていた。この異方性は第１
図に示す如き単芯テープ状の超電導ケーブルにお
いては50〜70％あつたものに比べて、第３図に示
すものは20〜40％と改善されてはいるが、なおこ
の異方性の存在により化合物超電導体の有効断面
積に比べて大きな電流密度や電流容量が得られな
い欠点があつた。

本発明かかる点に鑑み種々研究を行つた結果、
異方性を解消して大きな電流密度と電流容量とが
得られる幅広の極細多芯化合物超電導ケーブルの
製造方法を開発したものである。

即ち本発明は拡散熱処理により化合物超電導体
を形成する成分金属元素の内第１の金属をマトリ
ツクスとし、このマトリツクス中に円形断面をな
す第１の金属よりも再結晶温度の高い第２の金属
を芯材として複数本埋設して複合材とした後、該
複合材を前記第１の金属の再結晶温度以上でかつ
第２の金属の再結晶温度以下の温度範囲で温間加
工または中間焼鈍を繰返しながら冷間加工を行つ
てマトリツクス中の各芯材の横断面における短軸
と長軸との比率が１：１乃至１：２となし、且つ
マトリツクスの短辺が２mm以下の矩形断面とな
し、しかる後これを拡散熱処理して芯材とマトリ
ツクスとの界面に化合物超電導体を形成すること
を特徴とする極細多芯化合物超電導ケーブルの製
造方法である。

以下本発明を詳細に説明すると、先ず拡散熱処
理により化合物超電導体を形成する成分金属元素
の内第１の金属をマトリツクスとし、このマトリ
ツクス中に円形断面をなす第２の金属を芯材とし
て複数本埋設して複合材を成形する。これら化合
物超電導体の成分金属としてはNb，Sn，Ｖ，Ga
或はこれらの合金などであり、例えば化合物超電
導体としてNb₃Snを形成する場合においてはSn又
はSn合金を第１の金属としてこれをマトリツク
スとし、Nb又はNb合金を第２の金属としてこれ
を芯材にして埋設し複合材とするものである。

このように複合材を成形した後、必要に応じて
熱間で押出しなどの加工を行つて外径を小さくし
た後これを前記第１の金属再結晶温度以上で第２
の金属の再結晶温度以下の温度範囲において押出
し、圧延、引抜きなどの熱間加工または中間焼鈍
を繰返しながら冷間加工を行つて最終の仕上り形
状とする。この加工温度範囲は第４図のグラフに
示す如く例えば曲線をマトリツクスとなる第１
の金属の軟化曲線（硬度曲線）、曲線を第２の
金属の軟化曲線としT₁，T₂を夫々の金属の再結
晶温度とする。但しこの場合の再結晶温度とは硬
化した状態と軟化した状態との中間の硬さを示す
温度で例えばCu―Sn合金は約450℃、Nbは約580
℃、Cu―Ga合金は約400℃、Ｖは約530℃であ
る。

このグラフにおいてＡの温度領域（T₁以下）
では複合体全体が硬化しており、この温度での加
工はマトリツクス、及び芯材とも変形抵抗が大き
く、しかも両者の硬度差が小さいので不適当であ
る。またＢの温度領域（T₁〜T₂）ではマトリツク
スは急激に軟化し、著しく変形抵抗が低下してい
るが芯材となる第２の金属は曲線で示す如く、
比較的硬度が高く、両者の硬度差が大きいため、
このＢの温度領域で加工することにより芯材はほ
ぼ真円状に保たれたままマトリツクスが優先的に
変形を受けて、板厚の薄い幅広の矩形断面を形成
することができる。なおこの加工は相対的な硬度
差が最も大きいTmの温度に複合材を加熱して行
う事が望ましく、またこの加工は熱間加工または
中間焼鈍を行いながら冷間加工を行う。この冷間
加工はＢの温度領域で焼鈍した複合材のマトリツ
クスの硬度が加工硬化によりH₁になつた時点
で、再び焼鈍を行い以下同様の操作を行うことに
よりマトリツクスを優先的に変形させるものであ
る。このようにＢの温度領域で行う加工方法とし
ては例えば押出し、ロールによる圧延、引抜きな
ど矩形断面をなす幅広のテープとするか、或は引
抜き加工した複数本の丸線を空芯に撚合せて（芯
のない状態で丸線を同一円周上に配列させながら
撚合せたもの）、これを２組のロールの軸が同一
平面内で直交するように配列したタークスヘツド
ロールを通して二軸圧延を行い矩形断面をなす幅
広のテープに成形するなど何れの方法でも良い。

なおＣの温度領域（T₂以上）ではマトリツク
ス、芯材とも軟化し、加工により両者が同時に変
形を受けるので、この温度での加工は不適当であ
る。すなわち、第３図に示されているように芯材
も厚さ方向の加工を受け長円形状に変形してしま
う。

次に上記の如くＢの温度範囲で最終の仕上り形
状とした矩形断面をなす複合材を拡散熱処理して
第５図に示す如くマトリツクス７と芯材５との間
に化合物超電導層２を形成して、化合物超電導芯
線６とし、これをマトリツクス７中に複数本埋設
したテープ状の化合物超電導ケーブルとする。こ
の化合物超電導芯線６はその横断面における短軸
と長軸との比率が１：１〜１：２であると共にケ
ーブル（マトリツクス）断面における短辺（厚
さ）が２mm以下の矩形状をなすものである。なお
本発明は円形断面のマトリツクス中に円形断面の
芯材を多数本埋め込んだ丸素線を例えば７本用い
て空心撚線し、これをタークスヘツドロールに通
して第６図に示す如く、上記丸素線を偏平状素線
８に変形させた平角状成型撚線型の化合物超電導
ケーブルでも良い。

本発明において化合物超電導芯線６の横断面に
おける短軸と長軸との比率を上記範囲に限定した
理由は、その比率が１：２を越えると超電導ケー
ブルが著しい電流異方性を示すからである。また
矩形断面をなす超電導ケーブルの短辺（厚さ）を
２mm以下としたのは、この種のケーブルを巻線す
る超電導マグネツトは比較的小さなコイル空間
（約20〜400mmφ）で効率よく高磁界を発生させる
ものであり、本願発明を効率よく適用させるため
にはケーブルの短辺の厚さは２mm以下である必要
があるからである。２mmを超えると高磁界を効率
よく得ることができなくなるばかりでなく、小口
径の超電導マグネツトにも適用できないものとな
る。またケーブルの可撓性が著しく低下し、一般
的なマグネツトの製作において巻芯に巻付ける工
程で化合物超電導体層２に亀裂を生ずる虞れがあ
るからである。また短辺と長辺との比率は１：５
〜１：10程度の幅広のものが望ましく、このよう
に幅広のケーブルとすることにより更に大きな可
撓性が得られるものである。

次に本発明の実施例について説明する（以下合
金組成において％とあるはいずれも重量％を示
す）。

実施例 １ Cu―20％Ga合金からなる外径45mm、高さ150mm
のビレツトをマトリツクスとし、この内部にＶ―
0.9％Zr合金からなる直径１mmの丸棒を芯材とし
て385本埋設して複合材とする。次にこの複合材
を850℃の温度で熱間押出しして外径11mmとした
後、28％の加工率毎に500℃の温間で中間焼鈍を
繰返し行つて外径2.6mmまで伸線した。更にこれ
を10mmのピツチで捩り加工した後、20％の加工率
毎に500℃で中間焼鈍しながら圧延を行い最終的
に0.1mm×４mmの矩形断面をなすテープ状のケー
ブルとした。次にこのケーブルを650℃で100時間
拡散熱処理し、Cu―Ga合金からなるマトリツク
スとＶ―Zr合金からなる芯材との界面にV₃Gaか
らなる化合物超電導層を２μの厚さに形成し、横
断面における短軸と長軸との比率が１：1.5をな
す化合物超電導芯線をマトリツクス中に埋設した
第５図に示す如き極細多芯化合物超電導ケーブル
を作成した。

次にこのようにして得られた超電導ケーブルの
上下両面にSn―４％Ag合金からなるロウ材を介
して安定化材である厚さ15μの銅箔を貼付け、更
に厚さ10μ、幅４mmのポリイミドからなる絶縁テ
ープを貼付けたものを40mmの長さに切断して試料
とした。この試料の幅方向に対する外部磁場（70
Kg、4.2〓）の方向を変化させて、夫々の場合の
臨界電流値を測定した。この結果夫々の臨界電流
値は520±10Aの範囲にあり電流の異方性がない
ことが確認された。

比較例 １ 本発明と比較するために上記実施例において熱
間押出しして外径11mmの複合材とした後、以後の
中間焼鈍をＶ―0.9％Zn合金の再結晶温度である
550℃を越えて600℃で行い、他は同様の条件で極
細多芯超電導ケーブルを作成した。このケーブル
において形成された化合物超電導芯線の短軸と長
軸との比率は１：25であつた。

このケーブルを上記実施例と同様に電流の異方
性を調べたところ、臨界電流値はケーブルの幅広
面に平行な磁場に対して280A、垂直な磁場に対
しては515Aと著しい異方性を示した。

実施例 ２ Cu―10％Sn合金からなる外径40mm、高さ100mm
のビレツトをマトリツクスとし、この内部にNb
からなる直径３mmの丸棒を芯材として15本埋設し
て複合材とする。次にこの複合材を800℃の温度
で熱間押出して外径10mmとした後、更に550℃の
温度で引抜き加工して外径１mmの線材とした。次
にこの線材を５mmのピツチで捩り加工を施した
後、線引加工を行い加工率が50％になつたところ
で加工を中断し、500℃の温度で中間焼鈍を行
い、しかる後再び線引加工を行い外径0.3mmの線
材とした。この線材を15本用意してピツチ20mmで
芯のない空芯撚線を作つた後、550℃に予熱した
タークスヘツドロールに通して圧潰し、0.4mm×
3.5mmの平角状成形撚線型複合ケーブルを作つ
た。次にこのケーブルを680℃の温度で50時間拡
散熱処理してCu―Sn合金からなるマトリツクス
とNbからなる芯材との界面にNb₃Snからなる厚
さ３μの化合物超電導層を形成し、短軸と長軸と
の比率が１：1.7をなす化合物超電導芯線をマト
リツクス中に埋設した第６図に示す如き平角状の
撚線型極細多芯超電導ケーブルを作成した。

次にこのようにして得られた超電導ケーブルの
上下両面にInをロウ材として厚さ20μの銅箔を貼
付け、更にその外側に厚さ10μ、幅４mmのポリイ
ミドからなる絶縁テープを螺旋状に巻付けたもの
を長さ50mmに切断して試料とした。この試料の幅
方向に対する外部磁場（50Kg、4.2〓）の方向を
変えて夫々の場合の臨界電流値を測定した。この
結果、夫々の臨界電流値は1580±10Aの範囲にあ
り電流の異方性がないことが確認された。

比較例 ２ 上記実施例２において、熱間押出しして外径10
mmの複合線材とした後、以後の線引加工、中間焼
鈍における温度をNbの再結晶温度である580℃を
超えて650℃で行い、他は同様の条件で極細多芯
超電導ケーブルを作成した。このケーブルにおい
て形成された化合物超電導芯線の短軸と長軸との
比率は１：11.5であつた。

このケーブルを上記実施例２と同様に電流の異
方性を調べたところ、臨界電流値はケーブルの幅
広面に平行な磁場に対して1050A、垂直な磁場に
対して1590Aと著しい異方性が認められた。

上記の結果から明らかな如く、本発明によれば
複合材を構成するマトリツクスと芯材との変形抵
抗が大きく異なる温度範囲において所望の仕上り
形状に加工処理を行うことにより、得られる化合
物超電導芯線をほぼ真円状に保持しつつ、マトリ
ツクスの外形が幅広の化合物超電導ケーブルを成
型することができるので極めて電流の異方性が少
なく、この結果として臨界電流値及び電流容量を
従来のものに比べて10〜25％向上せしめることが
できる。更に本発明ケーブルは短辺が２mm以下の
矩形状をなす幅広のケーブルであるため、極めて
可撓性に優れており、超電導マグネツトの製造な
ど巻芯に巻回して用いる場合に極めて好適である
など顕著な効果を有するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の単芯化合物超電導ケーブルの断
面図、第２図は従来の撚線型極細多芯化合物超電
導ケーブルの断面図、第３図は従来の平角状をな
す極細多芯化合物超電導ケーブルの斜視図、第４
図は本発明方法における熱処理条件を説明するグ
ラフ、第５図は本発明の一実施例を示す斜視図、
第６図は本発明の他の実施例を示す斜視図であ
る。 ２……化合物超電導層、５……芯材、６……芯
線、７……マトリツクス、８……素線、９……補
強材。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 拡散熱処理により化合物超電導体を形成する
   成分金属元素の内、第１の金属をマトリツクスと
   しこのマトリツクス中に円形断面をなす第１の金
   属より再結晶温度の高い第２の金属を芯材として
   複数本埋設して複合材とした後該複合材を前記第
   １の金属の再結晶温度以上でかつ第２の金属の再
   結晶温度以下の温度範囲で温間加工または中間焼
   鈍を繰り返しながら冷間加工を行つてマトリツク
   ス中の芯材横断面における各芯材の短軸と長軸と
   の比率が１：１乃至１：２とし且つマトリツクス
   の短辺が２mm以下の矩形断面となししかる後これ
   を拡散熱処理して芯材とマトリツクスとの界面に
   化合物超電導体を形成することを特徴とする極細
   多芯化合物超電導ケーブルの製造方法。