CN1091545A - 细长超导体的制造 - Google Patents
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Abstract
用这样的方法细长超导体：将超导性或经过处理
后能转变成超导性的各向异性粒料装入可锻的金属
管子中，将其压实，并在一个或多个缩小工序中将其
缩小成细长带。起码其中一个这些缩小工序是用旋
转锻造法进行，该方法令其中一个台板起码在一转动
方向上不动，而令可转动的台板绕与推力方向成一小
角α倾斜的第一轴线旋转，同时第一轴线绕基本上与
推力方向一致的第二轴线转动，以产生“晃动”。旋转
锻造操作可取递增形式或准连续形式。
Description
本发明涉及从超导粒料（特别是陶瓷粒料）或通过后来适当的处理可变成超导的粒料制造细长超导体的方法。更详细地说，本发明涉及从需要经过排列以提高临界电流密度的片状或各向异性的粒料制造超导体的方法。本发明主要应用于其额定的组成为M2Sr2Ca Cu2O8和M2Sr2Ca2Cu3O10（其中M为Bi或部分用Pb取代的Bi）的“BiSCCO”系列高温超导陶瓷。这些陶瓷呈片状微晶的形式，而众所周知，若能将这此陶瓷的粒子加以排列使各粒子之间面对面的接触达到最大限度，则可以使临界电流密度惊人地增加。本发明还可应用于额定组成为Tl2Ba2CaCu2O8、TlBa2Ca2Cu3O8和Tl2Ba2Ca2Cu3O10的Tl系列超导体。
从超导粒料制造细长超导体最简单且可能最令人满意的方法是往金属管（粒料为陶瓷粒料时，金属管由银制成，因为其它金属对陶瓷粒料的超导性能造成有害的影响，而很少金属足以使氧渗透入其中从而可以进行通常在缩管之后需要进行的热处理工序）中填充以细粒料，然后缩小充满粒料的金属管的横截面使粒料密实并使由此形成的组合体变长。然而，要将粒料引入金属管中使其以任何形式排列，目前没有一个可行的方法，粒料引入管中后只能无规则地排列，而且那种缩小金属棒或矿物质绝缘电缆的充料管成型坯所使用的拉伸和挤压工序只能使粒料达到小程度的排列。
要大幅度提高粒料的排列程度，可以先将金属管充分拉伸或挤压，形成没有显著空隙的密实体，从而缩小金属管的横截面，然后再通过一系列轧制工序（必要时中间加上热处理工序）进一步缩小横截面，形成带状超导体。目前建议的带厚是50微米以下，这样的带厚可以使优质的BiSCCO材料达到10京安/米2范围的临界电流密度（Jc），但实验（采用只适用于短试样的缩小法进行的实验）证明，提高粒子的排列程度可以使上述临界电流密度值起码提高10倍。
因此，我们认为须要有这样一种方法，该方法：
-能连续或近乎连续地加工出长条的制品;
-能连续形成薄金属覆盖层;
-适宜制造厚度从大约50微米一直薄到20微米（小于20微米时强度不一定够）的带;且
-能制造出粒子排列程度基本上比轧制出来的高的制品。
本发明制造细长超导体的工艺包括：将超导性或经过以后进行的处理能转变成超导性的各向异性粒料封装入可锻金属制成的管子中;将其压实，并在一个或多个缩小工序中将其缩小成细长带，其特征在于，所述缩小工序中起码有一个工序是以旋转锻造操作进行的。
旋转锻造是特殊的但已得到公认的金属加工技术，它采用两个在一起推动的台板将工件夹住同时绕两个彼此成一个小角度的轴线彼此相对转动。两台板绕两轴线转动的角速度、使两台板在一起推动的力以及两台板的形状都选择得使其产生旋转着的局部塑性变形区，在该区中，两个台板都不在工件表面上滑动。
在室旋转锻造所要求的相对运动有许多方法，目前我们认为最适用于本发明的方法是令其中一个台板（通常是下台板，以下称之为锻砧）起码在一转动方向上不动，同时可转动的台板绕与推力的方向成一个小角度（α）倾斜的第一轴线旋转，同时第一轴线绕基本上与推力的方向一致的第二轴线转动，以产生“晃动”。α通常小于15°，且以采用下列几何条件为宜：锻砧采用扁平的锻钻，转台则采用锥体转台，其半角接近90°-α的值，锥体的轴线与第一转轴重合。
除开头的粒料密实操作外，所有的缩小工序最好都采用旋转锻造。必要时，为使金属和/或超导材料达到所要求的性能，可以在各缩小工序之间或之后采用热处理工序。
理论上，该或各旋转锻造操作应该是连续进行的，工件不断地通过两台板之间的加工区往前送。但鉴于在缩小过程中有大力作用到工件上，这样做未必行得通，因而可采用递增式的操作，即令各台板在其部分转动周期内脱离工件，或者反复除去或减小将两台板推动在一起的力，使工件可以前移一段比加工区的长度短的距离;（在该两种情况下）可以使操作过程达到准连续，方法是从下游侧拉住工件，或从上游侧推动工件，或两者同时进行，由此不断地往工件上加力，使其偏移。
锻砧的工作面上最好开有导向槽从工作面配置在锻造机入口侧的一边向内延伸，该导向槽在其毗邻锻造机入口侧的长度方向上的深度大于工件的相应尺寸。导向槽可相对于锥体轴线在直径方向上延伸，或者也可以有一个导向槽或多个与该轴线间隔一段距离的导向槽。
本发明包括临界电流密度在大约60至大约90京安/米2范围内的细长BiSCCO超导体。
现在参看附图仅以举例的方式进一步说明本发明的内容。附图中：
图1是适用于本发明中的旋转锻造机的轴向剖面;
图2是图1锻造机一个元件的横剖面;
图3（ⅰ）是锻造机在进料时其第一和第二模具构件相互配置的示意图;
图3（ⅱ）是锻造机在旋转锻造时两个模具构件相互配置的示意图;
图4（ⅰ）是图1锻造机的其中一个模具构件的平面图;
图4（ⅱ）是经改进的锻造机与图4（ⅰ）类似的平面图;
图5是轧制驱动装置和同步装置的示意图。
本实例采用组成为Br1.84Pb0.34Si1.91Ca2.03Cu3.06OY（其中Y未定，但可以假设用小数表示时大于10）、用光散射法估算的标称粒度（d50）为5微米的BiSCCO超导粒料。将这些粒料装入150毫米长、内外径分别为4.0和6.0毫米的纯银管中。用压配合的银管塞封住银管的开口端，将封口挤压，并通过一系列曾通使用的管子成形模具将由此形成的组合体拉伸成具有0.6毫米的直径。然后在一系列旋转锻造工序中将经压实的组合体缩小，在每一道旋锻工序之后作一次热处理。
现在参看附图的图1。图中的旋转锻造机有一个机架10，机架10包括床身12、四个固定在床身12上且从床身12向上垂直延伸的立柱14（只看到其中两个）和上横梁16，立柱14即固定在上横梁16中。立柱14围绕锻造机的垂直中心轴线等间距配置。滑枕18有四个套管20可滑动地装在相应的立柱14上。因此滑枕18相对于机架10固定，不能转动，但却能相对于机架10垂直移动。锻造机还包括水平配置的旋转螺杆22，螺杆22上装有一对丝扣方向相反的栓定螺母24。各螺母24可螺动地与相应的联杆26相连接，联杆26的上端通过贝氏垫圈27（能承受大载荷的簧片）的中间体可摆动地与滑枕18相连接。因此，不难理解，螺杆22转动时使滑枕18随着螺杆22的转向垂直上下移动。
滑枕18运载着具有一个平面的上部加工表面30的第一台板（锻砧）28。因此，螺杆22转动时，锻砧28能沿图1中用虚线32表示的垂直位移轴线移动，但相对于机架10固定，不能转动。轴线32与锻造机的中心轴线吻合。
现在参看图4（i），锻砧28的上部加工表面30有一个导向槽34在直径方向上横贯锻砧28延伸，从而与位移轴线32相交。导向槽34从锻造机的入口侧36至出口侧38垂直于图1轴向剖面的平面延伸。导向槽34的深度从入口侧36到距砧28约为锻砧28直径的7/8处逐步减小。导向槽34的倾斜度和深度先取得使锻砧28中心（即在位移轴线32处）处的深度在一定程度上大于待锻造的超导体毛坯工件W的直径。因此，不难理解，工件W沿导向槽34底部送入旋转锻造机中时，只会在锻砧28配置在位移轴线32在入口侧36对过一侧的部位突出在锻砧28的平面上部加工表面上方。因此，锻造机的有效加工区为朝向锻造机出口侧38的部位。
从图4（ⅰ）可以看到，导向槽34在其配置在入口侧36与位移轴线32之间的整个长度上的宽度基本上恒定。该宽度在一定程度上大于工件W的直径。在锻造机的位移轴线32与出口侧38之间，导向槽34的宽度逐步增加，直到横贯模具构件28直径的7/8处为止，然后保持不变，直到出口侧38为止。在该直径的整个后1/7，导向槽34的深度非常小。
再返回到图1。旋转锻造机还有第二台板40，台板40装在套管42上，套管42则通过上下轴承44和46可转动地装在轴48上，轴48配置在轴线50上，轴线50则与位移轴32成α角且在点51可摆动地绕水平轴线配置，轴线32与50即在点51处相交。第二台板40可绕轴线50自由转动。
轴48由进动驱动装置驱动，图中该驱动装置总的用箭头52表示，它包括装在上下轴承56和58的垂直驱动轴54，该两轴承则装在横梁16上。垂直驱动轴54可绕与位移轴线32重合的垂直轴线转动。垂直驱动轴54的下端呈矩形（这可从图2中看出），在以交点51为中心的整个弧上凹成曲面，其上有一个槽54b在直径方向上相对于轴54的转动轴线延伸。槽54b的底部54c凹成曲面，平行于下端面54a。轴48的上端部位48a在槽54b内以特别小的间隙滑动配合。端部部位48a的端面48b凸出成曲面，与槽54b的底部54c配合。轴48还有一对凸出成曲面的轴肩48c，与下端面54a在槽54b两端滑面的相应部分配合。端部部位48a的孔48d穿过该部位径向相对于轴线50且纵向相对于槽54b延伸，孔内设有丝扣。
螺丝杆62嵌入孔48d中，以一定的间隙穿过一对U形定位构件64上的各孔，构件64则在槽54的两端抱住轴54。内外楔形垫片66a和66b以及螺母68在各定位构件64外面与杆62的各端部部位接合，用以将杆62锁定在与驱动轴54的纵轴线成规定角度的位置上。各对定位构件64的垫片66a和66b可以相对转动，可适当加以调节以消除螺母68与有关的垫圈64之间因杆62的轴线角偏差而引起的轴线不重合。
上述配置方式使轴48因轴54转动而向前运动，从而使第二台板40的转动轴线50与位移轴线32成α角。
轴线32和50在台板40加工表面76中心处的点51相交。加工表面76呈向下逐渐缩小的锥形，其锥角等于180°-α。水平摆动轴线51与锥形加工表面76的锥顶相交。本实施例中的α角为5°，但在进行旋转锻造操作之前可加以调节和重新调定，调节时可用锥角合乎要求的模具构件代替模具构件40，重新调定时要松开起码其中一个螺母68，在孔48d内转动杆62，将α角调到适当值，再上紧螺母68。
现在参看图5，旋转锻造机还有一个工件挪动装置，取一对压出牵引辊80的形式牵引出从锻造机出口侧38出现的经旋转锻造的金属丝。辊80由步进电动机82在控制机构84的控制下驱动，控制机构84与角位置传感器86相连接。角位置传感器86毗邻驱动轴54配置，驱动轴54本身则由电动机90驱动。
工作时，控制辊80使其与模具构件40围绕位移轴线32的进动同步，以步进的方式在模具构件28和40的加工表面30与76之间推动工件W前进。在图3（i）所示的情况下，不难理解，由于加工表面76与加工表面30接触的部位处在导向槽34在锻造机入口侧36较深的部位，因而模具构件40能够不与工件W接触。步进电动机82就是在这个阶段将工件W往前推动很短的一段距离。在本实施例中，该距离相当于模具构件28半径的大约25%。接着，停止对辊80的驱动，这时在模具构件40继续往前运动到图3（ⅱ）所示的位置的同时，在工件W新露出的部分上进行旋转锻造操作。同时在工件W的那些在上一次通过时起码已旋转锻造过一次但尚未离开锻造机出口侧38的部位进一步进行旋转锻造。这样就把原先（在第一次通过时为）圆截面的工件W旋转锻造成质点的取向具有前述优点的薄带。
台板40相对于锻砧28运动的过程中，锻砧28固定在其位置上，螺杆22不转动。贝氏垫圈27在轴线32的方向上具有小小的回弹性，但其刚度足以使其在各锻造工序过程中能对工件W作有用的功。适当调节螺杆22可以改变垫圈27孤压力。这样就可以使锻造压力直到其预定值范围内保持恒定。或者也可以在旋转锻造操作的过程中自动调节螺杆22，从而改变段造压力，其目的是为了使锻造中的制品达到最佳的性能。
在图4（ⅱ）的修改方案中，锻砧28的上加工表面30上有一对导向槽34。本实施例中的导向槽34彼此平行且在距轴线32一定距离的各位置从入口侧36到出口侧38横贯锻砧28延伸。在这种配置方式的情况下，不难理解，当台板40绕轴线32向前运动时，导向槽34中的各工件就在各锻造工序中依次接触。此外，由于各工件的长度方向与模具构件28和40之间的滚动接触线成一个角度，因此在各道锻造工序中，金属丝的整个露出来的长度是（在加工区随道金属丝同向行进的情况下）逐步锻造，而不是（在加工区横切金属丝行进的情况下）如图4（ⅰ）实施例的情况那样基本上同时锻造的。
经过第一次这样的旋转锻造工序之后，上述实例的成果为厚0.1毫米（包括银包层）宽约4毫米的扁平超导体，在848℃下经过50小时的热处理之后，临界电流密度已达5京安/米2左右;可以肯定地预料，再通过若干道旋转锻造工序（中间也经过类似的热处理）使其厚度进一步减小到50微米以下，临界电流密度值还至少可以提高到60京安/米2。
Claims (12)
1、细长超导体的一种制造工艺，包括下列工序：将超导性或经过以后进行的处理能转变成超导性的各向异性粒料封装入可锻金属制成的管子中，将其压实，并在一个或多个缩小工序中将其缩小成细长带，其特征在于，所述缩小工序中起码有一个工序是以旋转锻造操作进行的。
2、如权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述旋转锻造操作是令其中一个台板（锻砧）起码在一转动方向上不动，同时令可能转动的台板绕与推力方向成一小角α倾斜的第一轴线旋转，同时第一轴线绕基本上与推力的方向一致的第二轴线转动，以产生“晃动”。
3、如权利要求2所述的工艺，其特征在于，所述旋转锻造操作采用扁平的锻砧，转台则采用锥体转台，其半角接近90°-α的值，锥体的轴线与所述第一转动轴线重合。
4、如以上任一权利要求所述的工艺，其特征在于，所有缩小工序都采用旋转锻造操作。
5、如权利要求1-3任一权利要求所述的工艺，其特征在于，除开头的粒料密实操作外，所有的缩小工序都采用旋转锻造操作。
6、如以上任一权利要求所述的工艺，其特征在于，在各缩小工序之间和/或之后采用一个热处理工序。
7、如以上任一权利要求所述的工艺，其特征在于，在所述或各旋转锻造操作过程中，各台板在其部分转动周期内脱离工件，使工件可以前移一段比加工区的长度短的距离。
8、如权利要求1-6任一权利要求所述的工艺，其特征在于，反复除去或减小将两台板推动在一起的力，使工件可以前移一段比加工区的长度短的距离。
9、如权利要求7或8所述的工艺，其特征在于，从下游侧拉住工件，或从上游测推动工件，或两者同时进行，由此不断地往工件上施加使其偏移的力，从而使操作过程达到准连续。
10、用权利要求1-9任一权利要求所述的方法制造出来的细长超导体。
11、用权利要求1-9任一权利要求所述的方法制造出来的细长陶瓷超导体。
12、一种临界电流密度在大约60至大约90京安/米2的细长BiSCCO超导体。
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