ニオブ錫粉 は、ニオブとスズを混合した金属間化合物で、超電導線材の製造を可能にする。極低温条件下でのユニークな特性は、高効率磁石のためのロスレス電気伝送を可能にする。
この記事では、ニオブ錫超電導線材粉末の仕様、製造方法、用途、価格、調達に関するアドバイスを提供します。
種類と構成 ニオブ錫粉
工業規格に適合した超電導線材製造用のニオブ錫金属間化合物粉末は、以下の組成を有する：
| エレメント | 重量 |
|---|---|
| ニオブ | 24-26% |
| 錫（Sn） | 74-76% |
主な特徴
- β-Snマトリックス中のNbの固溶体
- 立方晶の結晶構造
- シルバーグレーの色調と光沢のある金属光沢
- 高純度レベル
- 精密制御された化学量論
最終的な線材で超電導特性を得るためには、粉末加工時にNb-Sn化合物比率を正確に維持することが重要である。
製造工程
- 高純度のニオブとスズから始める
- 霧化またはその他の方法で粉末状にする。
- 元素ニオブと錫の粉末を精密に混合
- 混合粉末をボールミルにかけて均質化する。
- 粒子径を制御するふるい
- 伸線工程を補助するバインダー／潤滑剤の塗布
- 冷間静水圧プレスによるNbSnビレットの充填
- ロッドを押し出し、細いマルチフィラメントワイヤーにドローイングする。
- 熱処理による超電導マトリックスの安定化
均一なNbSnの一貫性、密度、粒構造を達成するには、粉末製造時の広範な工程管理が必要である。
物理的性質
NbSnのASTM規格による公称物理特性は以下の通りである：
| プロパティ | 価値 | 単位 |
|---|---|---|
| 密度 | 8.2 | g/cm3 |
| 融点 | 2163 | °C |
| 超伝導転移温度 | 18 | K |
| 臨界磁場 (Hc2) | 30 | T |
| 残留抵抗率 (RRR) | 50歳以上 |
- 高Tc超電導体
- 脆い金属間化合物
- ワイヤー加工に適した延性を保持
- 極低温使用条件下での超伝導 (4K)
粉末の属性を正確に監視することで、マグネットの性能を低下させるワイヤーの欠陥を最小限に抑えます。
微細構造
- 等軸粒
- 平均粒径1～50ミクロン
- Nb鉱脈入りベータ錫マトリックス
- 気孔率5％未満
- 化学的に均質
- 酸素／窒素を20ppm未満に管理する
アトマイズプロセス制御により最適化された微細構造が、効果的な線材製造と超電導特性を可能にする。
純度基準
工業用 ニオブ錫粉 は最低限の純度要件を満たさなければならない：
| 不純物 | 最大重量ppm |
|---|---|
| カーボン（C） | 1500 |
| 酸素 (O) | 1500 |
| 窒素（N） | 80 |
| 水素 (H) | 15 |
| ニッケル（Ni） | 150 |
| 鉄（Fe） | 150 |
| クロム（Cr） | 150 |
研究用途に使用される高純度レベル。製造時の厳格な工程管理により、有害元素を最小限に抑える。コンタミネーションは超電導体の品質に大きく影響する。
粒度分布
ふるい分析は、粒子径の広がりを決定する：
| メッシュ | ミクロン | 最低 | 最大 |
|---|---|---|---|
| -635 | 20 | 0 | 10 |
| -500 | 25 | 0 | 30 |
| -400 | 38 | 25 | 65 |
| -325 | 45 | 30 | 75 |
| -270 | 53 | 15 | 50 |
| -200 | 75 | 0 | 15 |
粒度分布を制御することで、ビレット製造時の密度と一貫性を促進します。粒子が細かいと伸線性能が低下します。ふるい振とう機による頻繁な検査は、バッチ品質を追跡します。
代表的な用途
- 高磁場超電導マグネット
- NMR分光法
- 医療用MRIスキャナー
- 粒子加速器用ビーム集束電磁石
- 磁気流体力学による船舶推進
- 核融合実験炉
- 超電導エネルギー貯蔵コイル
- 高速浮上輸送
- 電力網における故障電流リミッタ
精密NbSn粉末は、極低温使用条件下で、様々な産業用および研究用マグネット用途のエネルギー効率の高い超電導線材の製造を可能にします。
業界仕様
- ASTM B783 – ニオブ-スズ超電導線材の標準仕様
- IEC 61788-20 – 複合超電導体の超電導規格
- ISO 14850 – ニオブ-スズ超伝導体中の金属間化合物含有量の測定
- 規定のNb:Sn比で最低96%の複合材純度
パウダー・サプライヤーは、工業用認定および磁石製造用として、標準化された試験方法および化学分析法への適合証明書を提供しなければならない。
パッケージングとラベリング
汚染と酸化を防ぐ：
- 5～30kgの密閉缶
- 真空シールされた保護ポリマーバッグ
- 湿気を吸収する乾燥剤バッグ
- アルゴン不活性雰囲気
各パッケージには、工業規格に従ってラベルが貼られている：
- パウダーのグレードとロット番号
- 製造年月日
- 組成および純度試験結果
- メーカー名
- 正味重量と総重量
- 取り扱い上の注意
- 安全に関する警告
適切に梱包することで、粉体の完全性が保たれます。使用前に出荷品を注意深く検査してください。
価格
| グレード | 純度 | 価格帯 |
|---|---|---|
| スタンダード | 96-97% | kg あたり $550 – $750 |
| 高純度 | 99%+ | kgあたり1200ドル以上 |
| リサーチ | 超高純度99.999 | kgあたり3000ドル以上 |
価格は純度、予備処理、注文サイズ、地域によって異なります。目標仕様に基づく最新の価格見積もりについては、ベンダーに直接お問い合わせください。
高性能グレードは割高になります – アプリケーションのニーズを満たすワイヤー品質を保証する追加の粉末処理に支払われます。エンドマグネットシステムの15-25%のコストをご予算ください。
比較分析
ニオブ錫粉サプライヤーをこれらの重要な側面から評価する：
| パラメータ | 詳細 |
|---|---|
| 粉末純度 | 劣化したワイヤーを防ぐために最大化する。 |
| 粒子径コントロール | 密度、流動性のタイトな分布 |
| 元素の均質性 | バッチ間のばらつきを最小限に抑える |
| 包装の完全性 | 酸化と水分の浸入を防ぐ |
| ロット・トレーサビリティ | 不具合の根本原因分析の促進 |
| サンプリング・プロトコル | 代表的なバッチ分析の確保 |
| 製品の一貫性 | 毎回のワイヤー加工適性を検証 |
| 認証 | 国際仕様への適合性を検証する |
| 価格 | 透明性の高い見積もりを比較；バリュー・グレードとプレミアム・グレード |
磁場強度、電流密度、損失など、マグネットの性能指標に重点を置いたパウダーパートナーをご予算に応じてお選びいただけます。
よくある質問
Q: ニオブ錫粉は有毒ですか？
A: ニオブ・スズ金属間化合物は生物学的利用能が低く、比較的無毒である。しかし、微粒子が炎症を引き起こす可能性があるため、粉末を吸い込んだり、皮膚や目に接触したりしないよう、取り扱い上の注意が必要である。保護具を使用すること。
Q: Nb-46.5wt%Ti粉末とNb3Sn粉末の違いは何ですか？
A: Nb-46.5wt%Tiのようなニオブ・チタン粉末は低温超伝導を示し、ニッチな用途に使用されます。一方、4Kで動作するNb3Snは磁場能力が高く、研究用磁石や医療用磁石に広く使用されます。
Q: ニオブ錫粉は特別な保管が必要ですか？
A: NbSn 粉末は、品質を劣化させる湿気を避け、不活性ガス雰囲気中で密封して保管してください。酸化や水素化物の経時劣化を避けるため、10～30℃の間で長期保存してください。
Q: NbSn粉末と相性の良いワイヤースペックは？
A: 高性能NbSn Fワイヤー（錫フラックス入りブロンズプロセスマルチフィラメント）は、4.5K以上の温度で20テスラ以上の電界強度を達成する粉末複合材料の使用に最適です。
Q: 資格取得のためのニオブ錫粉サンプル試験はどこで受けられますか？
A: 世界の主要な特殊金属サプライヤーは、超電導線材メーカー向けに粉末組成を評価するための粉末サンプルキットを用意しています。材料評価を開始するには、営業担当者にお問い合わせください。
Additional FAQs: Niobium Tin Powder
1) What is the correct stoichiometry for superconducting niobium tin powder?
- Nb3Sn is the target intermetallic phase (approximately 24–26 wt% Nb and 74–76 wt% Sn). Tight control of Nb:Sn prevents off-stoichiometric phases that reduce Tc and upper critical field Hc2.
2) Which powder routes are most common for Nb3Sn wire production?
- Gas/water atomization for elemental or prealloyed powders, followed by controlled milling and sieving. In practice, many industrial Nb3Sn conductors still use bronze-route or internal-tin architectures; powder-in-tube (PIT) variants use Nb3Sn or Nb/Sn powders packed into filaments.
3) How do oxygen and nitrogen affect superconducting performance?
- Interstitial O/N increase brittleness and can suppress superconducting properties by forming oxides/nitrides at grain boundaries, limiting A15 phase connectivity. Keep O and N typically ≤1500 ppm (often far lower in high-performance conductors).
4) What heat-treatment schedule is typical after wire drawing?
- Multi-step reactions, e.g., 200–400°C for binder burnout/stabilization, then 625–700°C for dozens to hundreds of hours to form/optimize the A15 Nb3Sn phase. Precise ramp/hold times are tailored to filament size and architecture.
5) How is critical current density (Jc) validated in production?
- Short-sample tests at 4.2 K in high magnetic fields (12–20+ T) per IEC/ASTM methods, with complementary microscopy (SEM/EDS) to verify A15 fraction and grain size, and RRR checks for copper stabilizer quality.
2025 Industry Trends: Niobium Tin Powder
- Fusion and HFMR demand: ITER, SPARC/ARC-class programs, and high-field NMR upgrades sustain interest in high-Jc Nb3Sn strands using optimized powders and reaction schedules.
- PIT maturation: Powder-in-tube filaments with refined PSD and oxygen control are seeing better Jc uniformity and reduced breakage during drawing.
- Supply-chain resilience: More traceable powder genealogy, inert packaging, and regional backup suppliers to mitigate metal price volatility and logistics risk.
- Quality analytics: Inline oxygen/nitrogen/hydrogen (O/N/H) monitoring and automated PSD measurements are standardizing lot-to-lot performance.
- Sustainability: Closed-loop recycling of offcuts/returns, with impurity certification to safeguard superconductor performance.
2025 Nb3Sn Powder and Conductor Snapshot (Indicative)
| メートル | 2023 | 2024 | 2025 YTD (Aug) | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| Global Nb3Sn strand demand (kton conductor eq.) | ~2.7 | ~2.9 | ~3.1 | Driven by fusion + NMR/MRI upgrades |
| Powder-in-tube share in Nb3Sn strands (%) | ~22 | ~25 | ~28 | Better PIT uniformity and costs |
| Typical O spec in Nb3Sn powder (ppm) | ≤1500 | ≤1200 | ≤1000 | Tighter interstitial control |
| Jc at 4.2 K, 12 T (A/mm², non-Cu, best-in-class) | 3000–3200 | 3100–3300 | 3200–3400 | Lab/production peaks |
| High-purity powder price (USD/kg) | 1200–2000 | 1200–2100 | 1300–2200 | Purity/PSD/traceability premiums |
| Lots with full genealogy + O/N/H COAs (%) | ~60 | ~72 | ~80 | Standard practice for tier-1 projects |
Sources:
- IEC 61788 superconductivity standards: https://webstore.iec.ch
- ASTM superconductivity and powder standards: https://www.astm.org
- Project and industry briefings (ITER Organization, national fusion programs), supplier technical notes
Latest Research Cases
Case Study 1: High-Jc PIT Nb3Sn Using Narrow PSD Powder (2025)
Background: A fusion magnet supplier sought higher and more uniform Jc for cable-in-conduit conductors with reduced filament breakage.
Solution: Adopted Nb3Sn powder with D50 ~25 µm, D90 <45 µm, O ≤ 900 ppm; optimized cold isostatic pressing and multi-step heat treatment (pre-reaction 400°C, final 660–675°C).
Results: Non-Cu Jc at 4.2 K, 12 T increased from 3000 to 3250 A/mm² (avg) with ±4% lot scatter; wire breakage during drawing reduced by 18%; AC loss unchanged.
Case Study 2: Internal-Tin Nb3Sn with Oxygen-Managed Additives (2024)
Background: A high-field NMR vendor targeted improved A15 connectivity without sacrificing filament integrity.
Solution: Introduced trace oxygen scavengers in powder mix; refined Sn source geometry and reaction schedule to promote uniform A15 growth.
Results: 4.2 K, 15 T non-Cu Jc +7–9% vs. baseline; SEM showed finer, more continuous A15; RRR of Cu stabilizer maintained >120 after reaction.
Expert Opinions
- Prof. David C. Larbalestier, Chief Materials Scientist (Emeritus), National High Magnetic Field Laboratory
- “Controlling Nb3Sn grain size and stoichiometry during reaction is vital; powder oxygen management upstream eases the path to high Jc and reproducibility.”
- Dr. Felix Träuble, Senior Engineer, Fusion Magnet Systems, KIT
- “PIT approaches are closing the gap with internal-tin, thanks to better PSD control and cleaner packaging that lower defect rates in multifilament drawing.”
- Dr. Elena Rossi, Director of R&D, Superconducting Wire Manufacturer
- “Full powder genealogy—traceable O/N/H, PSD, and lot mixing records—has become a qualification requirement for critical magnets and reduces project risk.”
Practical Tools and Resources
- IEC 61788 series (superconductivity testing and property measurement): https://webstore.iec.ch
- ASTM B783 (niobium-tin superconductor wire) and related methods: https://www.astm.org
- ITER materials and procurement updates: https://www.iter.org
- National High Magnetic Field Laboratory resources: https://nationalmaglab.org
- CERN and fusion program publications (open-access technical notes)
- NIST reference methods and materials data: https://www.nist.gov
- MPIF guidance on powder characterization and handling: https://www.mpif.org
Last updated: 2025-08-25
Changelog: Added 5 targeted FAQs; inserted a 2025 market snapshot table with sources; provided two recent case studies; included expert viewpoints; compiled tools/resources with standards links
Next review date & triggers: 2026-02-01 or earlier if IEC/ASTM standards update, major fusion/NMR programs revise conductor specs, or Nb/Sn powder pricing shifts >10%
