압착된 전극은 소결 과정을 거쳐야 합니다. 소결 공정은 저온 탈수소화와 고온 소결의 두 단계로 나뉘며, 두 단계 모두 진공로에서 진행됩니다. 소결의 첫 번째 단계는 탈수소화 단계입니다. 온도가 상승함에 따라 수소화물이 분해되어 새로운 금속이 생성되고, 반응성이 매우 높은 금속 표면이 형성됩니다. 탈수소화 후 고온 소결이 진행됩니다. 고온 소결 과정에서 이러한 반응성이 높은 금속들은 서로 쉽게 확산되어 융점이 낮은 다양한 고용체를 형성합니다. 이는 제련 후 잉곳에 고융점의 불용성 금속 덩어리가 생기는 것을 방지하고 균일성을 향상시키는 데 도움이 됩니다.
탈수소화를 위한 진공도는 초기에는 10⁻⁴ Torr로 설정됩니다. 로의 온도는 점차 상승하며, 200°C 이후에는 수소 가스가 서서히 방출됩니다. 진공도가 10⁻⁴ Torr에 도달할 때까지 온도를 500~750°C로 유지하면 탈수소화 단계가 종료됩니다. 그런 다음 온도를 900~1600°C로 더 높여 1~6시간 동안 고온 소결을 진행합니다. 소결된 전극은 고밀도, 저가스 함량을 가지며 금속 사이에 부분 고용체가 형성됩니다.
소결된 전극은 하나 또는 두 개의 전기 아크로 또는 플라즈마로에서 용융시켜 합금을 얻습니다. 본 발명의 방법을 이용한 니오븀계 합금 제조 공정은 간단하고 금속 이용률이 높습니다. 특히, 니오븀 잉곳을 직접 수소화하여 분말을 생산하면 산소, 철, 실리콘 등의 불순물 오염을 줄일 수 있습니다. 수소화 전에 니오븀 잉곳은 적절한 산세척만 필요하므로 공정이 특히 간단합니다. 니오븀 잉곳에서 완제품 전극에 이르기까지 니오븀 이용률은 80% 이상에 달할 수 있습니다. 수소화 분말의 직접 배합 및 압축은 분말 보존을 용이하게 하고 가스 흡수를 줄입니다.
본 발명의 제조 공정을 사용하여 생산된 니오븀 기반 합금은 균일한 조성을 가지며, 고융점 금속의 불용성 덩어리가 거의 없습니다. 하나의 전기로에서 용융된 30kg의 Nb-50Ti 합금에서 티타늄 함량은 중량 기준으로 1~1.5% 범위에서 변동합니다. 두 개의 전기로에서 용융된 합금 잉곳에서는 티타늄 함량이 중량 기준으로 1% 미만 범위에서 변동합니다. 합금의 미세 영역 조성 분석 결과, 티타늄 함량은 중량 기준으로 2.5~4.6% 사이에서 변동하는 것으로 나타났습니다. 이 합금은 복합 초전도선 생산에 필요한 모든 조건을 충족하며, 특히 코어 직경이 10마이크로미터 미만인 복합 초전도선 및 높은 자기장 균일성이 요구되는 자석용 복합 초전도선 생산에 적합합니다.
본 발명의 공정으로 제조된 전극은 용광로 적재 및 정렬이 매우 편리하며, 용융 중 가스 방출이 적어 용융 진공 유지가 용이하고, 결과적으로 안정적인 아크와 적은 금속 비산이 발생합니다.
2차 전자 충격 처리된 니오븀 잉곳을 혼합산-물 용액(HF:HNO3:H2O＝1:1:2)에 약 15분간 담근 후, 물로 헹구고, 탈이온수로 헹군 다음, 알코올로 탈수하고 건조시킵니다. 이 시료들을 스테인리스강 도가니에 넣고 용광로에 넣는다. 용광로는 5×10⁻⁵ mmHg까지 예비 진공 상태로 만든 후, 순수 수소로 세 번 퍼징하고, 수소(1-2 kg/cm²)를 주입한 다음 500-700°C로 가열하고 실온으로 냉각한다. 이 수소 주입 처리를 세 번 반복하면 니오븀 수소화물의 수소 함량이 1% 이상에 도달한다. 이때, 고밀도 니오븀 잉곳은 자연적으로 플레이크 형태로 파쇄된다. 이를 -40 메쉬 크기로 분쇄한다. 이렇게 준비된 니오븀 수소화물 분말을 시판되는 유전체 티타늄 분말(<20 메쉬)과 Nb 중량비 49%로 균일하게 혼합하고, 2톤/cm²의 압력으로 직경 40-45 × 180 mm 크기의 전극으로 성형한다. 압축된 전극은 수소를 제거하고, 분말 전극의 강도를 높이며, 니오븀과 티타늄의 부분 고용체를 형성하기 위해 소결해야 합니다. 소결 과정에서 6 × 10⁻⁴ Torr 이상의 진공을 가한 후, 약 300°C에서 시작하여 650-700°C를 유지하면서 진공도가 6 × 10⁻⁴ Torr로 돌아올 때까지 가열하여 수소를 제거합니다. 그런 다음 온도를 1400°C까지 더 높여 2시간 동안 유지하여 고온 소결을 수행합니다. X선 상 분석을 통해 니오븀과 티타늄의 고용체 형성을 확인합니다.
소결된 전극을 전기 아크로에서 두 번 용융시켜 20kg의 합금 잉곳을 얻었다. 분석 결과 티타늄 함량은 중량 기준으로 ±0.5% 이내로 변동하는 것으로 나타났다. 미세 영역 분석에서는 티타늄 함량이 중량 기준으로 2.5%에서 4.6% 사이로 변동하는 것으로 나타났다. 니오븀 잉곳에서 합금 잉곳으로의 니오븀 이용률은 80% 이상이었다. 합금 잉곳의 단면과 종단면에서 니오븀 불용성 덩어리는 발견되지 않았으며, 합금의 산소 함량은 1000ppm 미만이었다. 얻어진 합금 잉곳을 이용하여 직경 0.5mm의 163심 Cu-NbTi 복합 초전도선을 제작하였고, 단거리 시료 성능 Jc는 1.70~1.95 × 10⁵ A/cm² (H = 6 T)였다.
