DE1640573B1 - Verfahren zur hers/tellung von zusammengesetzten supraleitern - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von zusammengesetzten Supraleitern durch Zusammenfügen eines Aufbaus aus Elementen aus duktilem supraleitendem Material, einem ersten duktilen nichtsupraleitenden Material mit hoher elek-

ao irischer und thermischer Leitfähigkeit und einem zweiten duktilen mchtsupraleitenden Material mit besserer spezifischer mechanischer Festigkeit als das erste nichtsupraleitende Material.

Die bekannten supraleitenden Materialien leiden unter dem Nachteil, daß sie sehr spröde sind und deshalb nur schlecht verarbeitet werden können. Um diesen Nachteil zu beseitigen, ist man dazu übergegangen, zusammengesetzte Supraleiter herzustellen, welche im allgemeinen aus einem Kern aus supraleitendem Material und aus einer Hülle aus nichtsupraleitendem stabilisierendem Material bestehen. Als stabilisierendes Material wird gewöhnlich ein Material mit guter Wärme- und Stromleitfähigkeit verwendet, wie z. B. Kupfer oder Aluminium. Um eine gute Verbindung zwischen dem supraleitenden Kern und der stabilisierenden Hülle zu erzielen, ist es bereits bekannt, die Zusammenstellung aus Hülle und Kern einer Querschnittsverringerungsbehandlung zu unterziehen. Wenn solche zusammengesetzte Supraleiter bei der Herstellüng.:der Wicklung.· eines supraleitenden Magneten verwendet werden, so führen: die bei der Erzeugung von hohen magnetischen Feldern sich in der Wicklung aufbauenden mechanischen Kräfte dazu, daß sich die Windungen verlagern, so daß diq ^iGklung unbrauchbar wird.

Zur Beseitigung dieser Schwierigkeiten ist man nun dazu "übergegangen, gemäß dem eingangs kurz geschilderten und aus der französischen Patentschrift 1452 825 bekannten. Verfahren, um den Kern meh-

rere Hüllen vorzusehen, wobei mindestens eine Hülle • aus-einem Material mit höherer mechanischer Festigkeit besteht.

Es hat.sich, jedoch gezeigt daß-die-zwischen den einzelnen Bestandteilen einer solchen Zusammenstellung' erhaltene mechanische Verbindung:;.unzureichend ist. ;■· ;■--.-■. 7

Der vorliegenden Erfindung lag nunmehr die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines zusammengesetzten 'Supraleiters der eingangs geschilderten Art zu schaffen, welches einen Supraleiter mit verbesserten mechanischen Eigenschaften ergibt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,

daß bei einem Verfahren der eingangs bezeichneten Art der Aufbau in an sich bekannter Weise zur Verringerung des Querschnitts deformiert wird, wobei die Deformation zunächst bei einer erhöhten Temperatur bis zu ungefähr 500° C ausgeführt wird, um die Elemente des Aufbaus miteinander zu verbinden,

worauf sieh eine Deformation bei niedrigerer Temperatur anschließt, um eine weitere Verringerung des Querschnitts des Aufbaus durchzuführen.

Wenn das zweite nichtsupraleitende Material eine gute Wärme- und Stromleitungseigenschaft besitzt, so steht es vorzugsweise in direkter Berührung mit dem supraleitenden Material, wobei es dieses vollkommen umgeben kann. Auf diese Weise werden die im supraleitenden Material auftretenden Kräfte unmittelbar von diesem zweiten nichtsupraleitenden Material, welches eine hohe mechanische Festigkeit besitzt, aufgenommen. Die hohen Wärme- und Stromleitfähigkeiten des ersten nichtsupraleitenden Materials können jedoch besser ausgenutzt werden, wenn dieses erste nichtsupraleitende Material direkt das supraleitende Material umgibt, wobei dann diese Zusammenstellung durch eine Hülle des zweiten nichtsupraleitenden Materials umgeben ist. Wenn das zweite nichtsupraleitende Material keine gute Strom- und Wärmeleitfähigkeit aufweist, dann wird die letztere Anordnung bevorzugt.

A Vorzugsweise besteht das zweite nichtsupraleitende ^^ Material aus einer eine hohe Festigkeit aufweisenden Kupferlegierung, welche eine gute Wärme- und Stromleitfähigkeit besitzt. Es kann auch aus rostfreiem Stahl bestehen, beispielsweise aus einem Stahl, der neben Eisen 18 Gewichtsprozent Nickel und 8 Gewichtsprozent Chrom enthält. Bei Anwendung einer Kupferlegierung besteht diese vorzugsweise aus Kupfer und Beryllium oder aus Kupfer und Zirkon.

Die Querschnittsverringerung wird beim erfindungsgemäßen Verfahren vorzugsweise durch Extrudieren und/oder Ziehen durchgeführt.

Es wird weiterhin bevorzugt, den Aufbau anschließend 15 Min. bis 4 Std. bei Temperaturen von 300 bis 450° C zu tempern. Eine etwa 1 Std. dauernde Temperung bei 400° C wird bevorzugt.

Die Querschnittsverringerung wird, wie oben erläutert, zunächst bei einer erhöhten Temperatur bis zu 500° C durchgeführt. Hierbei wird eine gute Verbindung der einzelnen Bestandteile sichergestellt. Der zweite Teil der Querschnittsverringerung wird bei

»geringeren Temperaturen ausgeführt. Diese Behandlung ergibt eine Verbesserung der Kaltbearbeitungseigenschaften und der supraleitenden Eigenschaften des supraleitenden Materials sowie der mechanischen Eigenschaften des nichtsupraleitenden Materials.

Spezielle Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden nun an Hand der Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen

F i g. 1 und 2 Ansichten von erfindungsgemäß hergestellten zusammengesetzten Supraleitern und

Fi g. 3 bis 9 Schnitte oder Teilschnitte von weiteren erfindungsgemäß hergestellten Supraleitern.

In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Buchstaben gleiche Materialien, und zwar 5 das supraleitende Material, C das stabilisierende Material, Z das verstärkende Material und T Lotmaterial.

Fig. 1 zeigt einen typischen erfindungsgemäß hergestellten zusammengesetzten Supraleiter. Er weist einen einzigen Kern aus supraleitendem Material S auf, welches sich aus Niob und 44 Gewichtsprozent Titan zusammensetzt, wobei dieser Kern aus einer Hülse C aus hochleitendem Kupfer umgeben ist, die ihrerseits sich in einer Hülse Z aus einer Kupferlegierung mit 0,15 Gewichtsprozent Zirkon befindet. Bei einer ersten Abwandlung ist die Lage der Schichten aus Kupfer und Kupferlegierung umgekehrt. Dies ist möglich, da die Kupfer-Zirkon-Legierung gute Wärme- und Stromleitungseigenschaften besitzt, obwohl diese nicht in der gleichen Größenordnung liegen wie diejenigen des reinen Kupfers. Eine solche Ausführungsform ist in F i g. 2 dargestellt, bei der die Kupfer-Zirkon-Legierung Z den supraleitenden Kern S direkt umgibt und mit diesem in Berührung steht und diese Schicht Z dann außerdem durch die Kupferschicht C umgeben ist.

ίο Bei einer weiteren Abwandlung wird ein in F i g. 1 gezeigter zusammengesetzter Supraleiter hergestellt und auf bestimmte Längen geschnitten, worauf dann die Leiterstücke in eine Kupferhülse eingesetzt werden, worauf dann dieses Gebilde wieder auf die gewünschte Drahtstärke extrudiert und heruntergezogen wird. Auf diese Weise wird ein Aufbau mit mehreren supraleitenden Kernen erzeugt, bei der jeder Kern des supraleitenden Materials mit einer eigenen Verstärkung versehen ist. Eine solche Ausführungsform ist in F i g. 3 dargestellt.

In entsprechender Weise kann die in Fi g. 2 dargestellte Zusammenstellung verarbeitet werden, wobei diese in eine Hülse aus der Kupfer-Zirkon-Legierung eingesetzt wird. Fig. 4 zeigt das Ergebnis eines solchen Verfahrens.

Bei einer weiteren Abwandlung des erfindurigsgemäßen Verfahrens wird ein supraleitender Draht mit einem einzigen Kern aus supraleitendem Material und einer Hülle aus Kupfer in Längen geschnitten und zusammen mit mehreren Drähten aus einer Verstärkungslegierung in eine Kupferhülle eingebracht. Diese Zusammenstellung wird dann ebenfalls auf die gewünschten Abmessungen extrudiert und gezogen, wobei das in F i g. 5 gezeigte Produkt erhalten wird.

Diese Zusammenstellung der Fig. 5 kann dann wiederum in Längen geschnitten und in eine weitere Hülle eingesetzt werden, wobei gegebenenfalls wieder weitere Verstärkungsdrähte zur Verwendung gelangen, worauf dann diese Zusammenstellung wieder extrudiert und gezogen wird. Der so hergestellte Zusammenbau besitzt eine große Anzahl von Verstärkungsdrähten. Das Ergebnis dieses Verfahrens ist in F i g. 6 dargestellt, worin die zusätzlichen Verstärkungsdrähte mit Z' bezeichnet sind.

Bei einer weiteren typischen erfindungsgemäßen Arbeitsweise wird ein mehrkerniger Zusammenbau dadurch hergestellt, daß Verstärkungsdrähte aus rostfreiem Stahl (18 Gewichtsprozent Nickel und 8 Gewichtsprozent Chrom) durch Kupfer umhüllt werden. Dies kann in einer Stufe dadurch geschehen, daß man eine Kupferhülse mit rostfreien Stahlstäben und Kupferstäben bepackt und diese Zusammenstellung hierauf extrudiert oder zieht. Man kann auch eine Stange aus rostfreiem Stahl in eine Kupferhülse einbringen, diese Zusammenstellung extrudieren und/ oder ziehen, um einen zusammengesetzten Draht mit einem Kern herzustellen, worauf man dann eine Anzahl von Längen dieses Drahts in eine weitere Kupferhülse einbringt und die Zusammenstellung wieder extrudiert und/oder zieht.

Das dabei erhaltene Produkt ist in F i g. 7 dargestellt. Es wird dann weiter einer Walzbehandlung unterworfen, um einen Streifen zu erzeugen, bei dem die obere und die untere Oberfläche eine Anzahl von sich in Längsrichtung erstreckenden Nuten aufweist. Dieser Kupferstreifen wird dann vollständig durchgetempert, und zwar zweckmäßigerweise innerhalb eines Temperaturbereichs von 250 bis 650° C, so daß

dem Kupfer die besten Leiteigenschaften erteilt werden. Die hierbei verwendeten Temperaturen hängen von verschiedenen Faktoren ab, wie z. B. der Zusammensetzung des rostfreien Stahls, da es unerwünscht ist, daß die Legierungsbestandteile des rostfreien Stahls in größerem Ausmaße in das Kupfer hineindiffundieren.

Dieser Streifen wird dann durch ein Bad aus geschmolzenem Zinn hindurchgeführt, um eine Zinnschicht aufzubringen, und dann mit einer Anzahl von Supraleiterdrähten, die mit einer Kupferhülse umgeben sind, zusammengefügt. Dies kann dadurch erfolgen, daß Längen eines einkernigen zusammengesetzten Supraleiters in eine jede verzinnte Nut eingelegt werden, worauf dann dieses Gebilde durch einen Walzstuhl hindurchgeführt wird, der lediglich die zusammengesetzten Supraleiter mit dem Zinn in Kontakt bringt.

Das auf diese Weise hergestellte: zusammengesetzte Produkt wird dann durch einen Lötofen geleitet, der eine Temperatur von 250 bis 400⁰C aufweist und dazu dient, das Zinn zu schmelzen und den einkernigen zusammengesetzten Supraleiter in den verstärkten Kupferstreifen einzulöten. Auf diese Weise entsteht eine Supraleiterzusammenstellung, bei dem das Kupfer vollkommen durchgetempert ist und aus diesem Grunde die besten Wärme- und Stromleiteigenschaften besitzt. F i g. 8 zeigt einen Teil eines Querschnitts eines solchen zusammengesetzten Supraleiters. Es ist ersichtlich, daß durch das Lot T jeder Supraleiter mit seiner Hülse in eine Nut des Verstärkungsstreifens eingelötet ist.

Bei einer Abwandlung dieses Verfahrens wird die Verstärkung aus rostfreiem Stahl ganz oder teilweise durch andere Verstärkungsdrähte ersetzt, beispielsweise durch eine feste Kupferlegierung oder eine feste Titanlegierung. Geeignete Titanlegierungen für diesen Zweck sind solche mit 15 Gewichtsprozent

ίο Molybdän oder solche mit 3 Gewichtsprozent Kupfer. An Stelle von Zinn können auch andere Lötmittel verwendet werden, beispielsweise Indium, welches eine gute Strom- und Wärmeleitfähigkeit besitzt. Auf eine solche Lötbehandlung kann auch verzichtet werden. In diesem Falle werden die Wandungen der Nuten so weit mechanisch deformiert, daß sie vollständig über den zusammengesetzten Supraleiter gehen und diesen festhalten. Hierbei ist jedoch Voraussetzung, daß ein guter Strom- und Wärmekontakt

ap zwischen dem Kupferstreifen und dem zusammengesetzten Supraleiter hergestellt wird. Eine solche Ausführungsfonn ist in F i g. 9 dargestellt.

Bei einer weiteren Abwandlung dieser Ausführungsform kann der mehrkernige Zusammenbau aus Kupfer und rostfreiem Stahl dadurch hergestellt werden, daß man Kupfer um eine Zusammenstellung aus rostfreien Stahlstäben gießt und hierauf diese Zusammenstellung mit den Supraleiterdrähten extrudiert und/oder zieht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von zusammengesetzten Supraleitern durch Zusammenfügen eines Aufbaus aus Elementen aus duktilem supraleitendem Material, einem ersten duktilen nichtsupraleitenden Material mit hoher elektrischer und thermischer Leitfähigkeit und einem zweiten duktilen nichtsupraleitenden Material mit besserer spezifischer mechanischer Festigkeit als das erste nichtsupraleitende Material, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufbau in an sich bekannter Weise zur Verringerung des Querschnitts deformiert wird, wobei die Deformation zunächst bei einer erhöhten Temperatur bis zu ungefähr 500° C ausgeführt wird, um die Elemente des Aufbaus miteinander zu verbinden, worauf sich eine Deformation bei niedrigerer Temperatur anschließt, um eine weitere Verringerung des Querschnitts des Aufbaus durchzuführen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsverringerung durch Extrudieren und/oder Ziehen durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufbau anschließend 15 Minuten bis 4 Stunden bei Temperaturen von 300 bis 450° C getempert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperung etwa 1 Stunde lang bei 400° C durchgeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1,'- dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Stücke des mit dem ersten nichtsupraleitenden Material umgebenen Supraleiters mit mehreren Drähten aus dem zweiten nichtsupraleitenden Material in eine Hülle aus dem ersten nichtsupraleitenden Material eingebracht werden und hierauf die Querschnittsverringerung vorgenommen wird.

6. Verfahren nach Anspruch.Sj; dadurch: getkennzeichnet, daß die hergestellte Zusammenstellung in Längen geschnitten und zusammen mit weiteren Drähten aus. dem zweiten· nichtsupraleitenden Material in eine weitere Hülle aus dem ersten mchtsupraleitenden Material eingebracht wird und hierauf wieder eine Querschnittsverringerung vorgenommen wird. . .

7. Verfahren zur Herstellung eines* zusammeri-. gesetzten' Supraleiters nach-Anspruch 1<^: dadurch gekennzeichnet, daß eine Hülle aus dem ersten mchtsupraleitenden Material mit Stäben ..aus. dem ersten nichtsupraleitenden Material und Stäben aus dem zweiten nichtsupraleitenden Material bepackt wird, diese Zusammenstellung dann extrudiert oder gezogen wird, worauf das vorgebildete Produkt zwecks Erzeugung eines Streifens, dessen obere und untere Oberfläche eine Anzahl von sich in Längsrichtung erstreckenden Nuten aufweist, einer Walzbehandlung· unterworfen;wird, worauf dann der Streifen einer Wärmebehandlung unterzogen und durch ein heißes Zinnbad geführt wird, um ihn mit einer Zinnschicht zu versehen, worauf dann in jede Nut eine Länge eines Drahts des supraleitenden Materials in einer Hülle des ersten nichtsupraleitenden Materials eingelegt und diese Längen dann in die Zinnoberfläche eingepreßt werden, worauf das so gebildete Produkt dann durch einen Lötofen geführt wird, um das Zinn zu schmelzen und die Drähte in die entsprechenden Nuten einzulöten.

8. Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch die Abwandlung, daß die Drähte in den Nuten durch Deformation der Wandungen der Nuten und nicht durch Löten befestigt werden.