DE1640505B1

DE1640505B1 - Verfahren zur herstellung eines zusammengesetztenelektri schen leiters

Info

Publication number: DE1640505B1
Application number: DE19671640505
Authority: DE
Inventors: Anthony Clifford Barber; Francis John Vernon Farmer; John Roger Bawden Gilbert
Original assignee: Imperial Metal Industries Kynoch Ltd
Current assignee: Imperial Metal Industries Kynoch Ltd
Priority date: 1966-01-27
Filing date: 1967-01-24
Publication date: 1971-09-30
Also published as: BE693329A; NL6701316A; DE1640506B1; GB1178115A

Description

Die Patentanmeldung P 1640 506.4-34 betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines zusammengesetzten elektrischen Leiters durch gemeinsame mechanische Bearbeitung von mindestens einem eine Anzahl von Elementen oder Schichten aus einem duktilen Supraleitermaterial mit duktilem üblichem Material hoher elektrischer Leitfähigkeit und hoher Wärmeleitfähigkeit, um auf .diese Weise ,eine Mehrzahl von Bändern, Fäden oder Schichten des Supraleitermaterials in einer Masse des üblichen Materials einzuschließen, wobei der Zusammenbau des Supraleiterelements oder der Supraleiterschicht mit dem duktilen üblichen elektrisch leitenden Material zunächst bei einer Temperatur zwischen Raumtemperatur und 550° C und darauf nochmals bei Raumtemperatur ausgepreßt oder verstreckt wird.
Aus der britischen Patentschrift 995 710 ist es bekannt, zusammengesetzte elektrische -Leiter, insbesondere Supraleiter, in der Weise herzustellen, @daß das eigentliche Supraleitermaterial, beispielsweise Niob, Zinn, Blei od. dgl., in Stangenform in eine Hülse aus ;gewöhnlichem Metall, beispielsweise Aluminium, eingeführt wird und eine Anzahl derartiger zusammengesetzter Stangen dann in ein Metallrohr aus gewöhnlichem Metall, zweckmäßig ebenfalls aus Aluminium, eingeführt wird und dieser Zusammenbau dann zu einem kleinen Durchmesser ausgezogen oder ausgewalzt wird. Dieser Zusammenbau wird dann in entsprechende Längen geschnitten und :erneut meine Metallhülse eingeführt, um wiederum zu einem kleinen Durchmesser ausgezogen oder gewalzt zu werden. Dieser Vorgang kann dabei nochmals wiederholt werden, so daß schließlich ein Supraleitermaterial mit äußerst feinen Supraleiterdrähten gebildet wird, die sämtlich von einem gewöhnlichen Metall umgeben sind. Irgendwelche Temperaturangaben für die Durchführung dieser Walz- oder Ziehbehandlung sind nicht gemacht worden.
Die vorliegende Erfindung betrifft nun insofern eine Weiterbildung des Gegenstandes des Hauptpatentes, indem bei der Herstellung des zusammengesetzten Leiters von mindestens einem aufgerollten oder aufgewickelten Streifen von je einem duktilen supraleitenden Material und einem duktilen üblichen Material hoher elektrischer und Wärmeleitfähigkeit ausgegangen wird.
Das supraleitende Material wird hierdurch auf einen ausreichend kleinen Querschnitt verringert und erfährt die gewünschte Kaltbearbeitung, wobei es durch das übliche Material unterstützt wird, und in der Praxis werden sehr feine Fäden des supraleitenden Materials vollkommen von dem üblichen Leiter umgeben, und sie befinden sich hierbei in einer guten Wärme- und elektrischen Berührung mit diesem.
Die :mechanische Bearbeitung bei .den hohen und Raumtemperaturen kann durch Auspressen, Walzen, Stangenwalzen, Schmieden, Gesenkbearbeiten und Ziehen erfolgen. So kann :das Auspressen bei hohen Temperaturen durchgeführt werden, worauf sich das Auspressen und Ziehen bei Raumtemperatur anschließt, oder eine Ziehbehandlung kann für diese beiden Arbeitsstufen angewendet werden.
Das Verbundmaterial kann aus einem oder mehreren supraleitenden Metallen oder Legierungen und. aus einem oder mehreren üblichen Werkstoffen bestehen. Ein geeignetes supraleitendes Metall besteht aus Niob, und Beispiele aus geeigneten supraleitenden Legierungen sind solche aus Niob, das mit einem oder mehreren der Metalle Zirkonium, Titan, Hafnium und Tantal legiert ist, wie beispielsweise eine Nioblegierung mit 44 Gewichtsprozent Titan und 67 Gewichtsprozent Titan. Es können auch Niob-Titan-Legierungen verwendet werden, welche 0 bis 3000 Teile pro Million an Einschlußelementen, wie Kohlenstoff und/oder Sauerstoff und/oder Stickstoff und/oder Wasserstoff enthalten, wobei es auch möglich ist, die Erfindung mit solchen Legierungen durchzuführen, welche Abis zu 5000 Teile pro Million der Einschlußelemente enthalten. Die üblicherweise verwendeten Werkstoffe sind Kupfer, das bevorzugt angewendet wird, sowie Aluminium, Silber, Indium und Cadmium, die ebenfalls anwendbar sind und die vorzugsweise eine hohe elektrische Leitfähigkeit bei tiefen Temperaturen wie beispielsweise solchen von 4,2° K besitzen. Darüber hinaus wird es vorgezogen, daß die Bearbeitungseigenschaften des ausgewählten Supraleiters und des üblichen Materials etwa gleich sind.
Die Einsohlußelemente liegen in der Legierung in Lösung oder als dispergierte Phase vor, beispielsweise in Form von Titannitrid-Niederschlägen, welche in der Legierung in Form von feinen Teilchen zugegen sind, die für ein Fließpinning geeignet sind. Die Ausscheidung selbst kann ein Pinning bewirken, oder wechselweise kann sie die Bildung eines Verwerfungsnetzwerkes oder einer Verwirrung unterstützen, welche als Pinningzentrum wirkt. Eine Wärmebehandlung von und/oder während und/oder nach der Bearbeitung kann notwendig sein für die Bildung der günstigsten inneren Struktur für die optimalen supraleitenden Eigenschaften in dem Verbundmaterial. Beispielsweise kann die Nioblegierung, welche 67% Titan enthält, einer Lösungsbehandlung über 700° C unterworfen und dann abgeschreckt werden. Der zusammengesetzte Supraleiter kann einer Wärmebehandlung innerhalb des Bereiches von 100 bis 700° C, vorzugsweise von 200 bis 600° C und besonders vorteilhaft zwischen 250 und 450° C unterworfen werden, um eine feine Phase oder Phasen in einer Form auszuscheiden, welche .die Bildung .des Verwerfungsnetzwerkes durch Wechselwirkung zwischen den Verwerfungen,, welche während der Kaltbearbeitung und den feinen Teilchen auftreten, welche während der Alterung ausgeschieden werden, unterstützen können, oder welche selbst das Flußpinning unterstützen können. Die Struktur selbst kann weiter durch zusätzliche Kaltbearbeitung verfeinert werden. Wenn eine Legierung aus Niob mit 44 Gewichtsprozent Titan verwendet wird, so wird während oder nach der Kaltbearbeitung zwecks Erreichung-- der optimalen ters diese Eigenschaften des zusammengesetzten -161 einer Wärmebehandlung bei 200 bis 500° C, vorzugsweise bei 300 bis 450° C unterworfen, um die Verwirrungen, welche bei der Kaltbearbeitung gebildet werden, zu verfeinern und/oder um Ausscheidungen der Einschlußverbindungen zu bewirken.
Die Zusammenstellungen, aus denen das Mehrschichtenmaterial hergestellt wird, können aus dem supraleitenden Material und dem üblicherweise verwendeten Material in verschiedenen Formen, wie beispielsweise als Folien, Bahnen, Stangen und Rohren, hergestellt werden oder in Form von vorgeformten Gebilden, wie Gußstücken. Das üblicherweise verwendete Metall kann auch geschmolzen und um Kerne des supraleitenden Materials herumgegossen werden. Nachfolgend wird die Erfindung an Hand der Zeichnungen näher erläutert, in denen F i g. 1 eine perspektivische Darstellung eines Zusammenbaues aus supraleitenden und üblicherweise verwendeten Materialien darstellt, F i g. 2 eine vergrößerte perspektivische Darstellung eines Schnittes durch den Zusammenbau gemäß F i g. 1 zeigt, F i g. 3 einen Schnitt durch einen anderen Zusammenbau der supraleitenden und üblicherweise verwendeten Werkstoffe und F i g. 4 eine vergrößerte Darstellung eines weiteren Zusammenbaues des supraleitenden und üblicherweise verwendeten Materials darstellt.
Im sämtlichen Darstellungen der Zeichnungen ist das supraleitende Material schraffiert dargestellt. Bei der in Fig.1 dargestellten Ausführungsform sind Streifen S und C aus einer supraleitenden Nioblegierung S mit 44 Gewichtsprozent Titan und Kupfer C von hoher Reinheit, jede 76 mm breit, 0,07 mm stark und 227 mm lang aufeinandergelegt und fest um einen Kupferstab R von hoher Reinheit herumgewickelt. Diese fest gewickelte Wicklung wurde dann in ein Kupferrohr von hoher Reinheit T eingeführt, dessen äußere Abmessungen etwas größer waren als die der Wicklung. Die Enden des Rohres wurden dann mit Kappen versehen und verschweißt und der Behälter durch eine kleine Öffnung evakuiert, die zunächst für diesen Zweck vorgesehen war, und die schließlich verschlossen wurde; um Verunreinigungen der eingeführten Wicklung -zu vermeiden. Das Aufbringen des Deckels, die Evakuierung und der Verschluß sind nicht wesentlich, vorausgesetzt jedoch, daß die abzudeckenden Flächen. nicht ungewöhnlich verunreinigt sind.
Der so gebildete Zusammenbau wurde dann durch eine Düse bei einer Temperatur von 350 bis 550° C, vorzugsweise bei 450° C, ausgepreßt, wobei diese Temperaturen niedriger lagen als diejenigen, bei denen sich niedrig schmelzende Eutektika zwischen der Legierung und dem Kupfer bilden. Die Temperaturen müssen jedoch ausreichend sein, um eine gute Verbindung zwischen der Nioblegierung und dem Kupfer herbeizuführen. Es wurde ein Auspreßverhältnis von 6:1 angewendet, um ein Produkt mit einem Querschnitt von 12 mm Durchmesser zu ergeben, das nach dem Reinigen bei Raumtemperatur durch eine Anzahl von Düsen bis zu einem Durchmesser von 0,25 mm ausgezogen wurde.
F i g. 2 zeigt einen Querschnitt durch dieses Produkt und läßt erkennen, daß der spiralförmige Aufbau bei dem 0,25 mm Durchmesser besitzenden Produkt beibehalten war, so daß auf diese Weise eine Mehrzahl von Schichten für den Stromdurchgang gebildet wurden. Darüber hinaus war bei diesem Produkt das Verhältnis des üblichen zu dem supraleitenden Material nicht wesentlich verschieden von dem des ursprünglichen Zusammenbaus und betrug 5 : 1. Dieses Verhältnis wird entsprechend den jeweiligen Erfordernissen vorherbestimmt.
Mit diesem Produkt durchgeführte elektrische Untersuchungen ergaben, daß der supraleitende Teil des Drahtes geeignet war, eine Stromdichte von mindestens 4 - 104 amp/cm2 bei 40 Kilogauss zu leiten, und dieses Ergebnis wurde noch verbessert, wenn ein 1 cm langer Draht 1 Stunde lang bei 400° C wärmebehandelt und dann weiter bei Raumtemperatur zu einem Draht mit einem Durchmesser von 0,07 mm gezogen wurde. Zwischen den Arbeitsstufen der Faltbearbeitung können weitere Wärmebehandlungen durchgeführt werden, wobei die Temperaturen vorzugsweise bei etwa 400° C liegen, aber auch 450° C oder sogar 500° C betragen können. Um optimale Ergebnisse zu erzielen, sollte jedoch die endgültige Wärmebehandlung bei Temperaturen von nicht über 400° C durchgeführt werden, und vorzugsweise sollte auch keine der Wärmebehandlungen bei höheren Temperaturen erfolgen. Um Jedoch sehr feine supraleitende Fäden zu erreichen, wird zweckmäßig eine endgültige Wärmebehandlung nicht durchgeführt.
Wenn ein reduziertes Auspreßverhältnis angewendet wird, so sollte das Auspressen bei Raumtemperatur durchgeführt werden, wodurch eine annehmbare Bindung zwischen dem Kupfer und dem Supraleiter erfolgt, und auch in einem geringeren Ausmaß zwischen der äußeren Kupferhülle und dem Kupferbehälter T. Um eine Verbindung zwischen Kupfer und Kupfer zu erzielen, werden die erhöhten Temperaturen bevorzugt, obwohl-es nicht wesentlich ist, daß eine Verbindung zwischen Kupfer und Kupfer vorliegt.
Bei der in F i g. 3 dargestellten Ausführungsform sind abwechselnde Lagen von einer Nioblegierung S mit 44 % Titan und Kupfer C hoher Reinheit S und C Fläche auf Fläche aufeinandergeschichtet, und zwar in einem rechteckigen Kupferbehälter T, dessen innere Abmessungen etwas größer sind als die des Stapels. Der Behälter wird durch Verschweißen des Deckels geschlossen und dann evakuiert.
Bei Raumtemperaturen oder nach Erwärmen auf eine Temperatur unterhalb derjenigen, bei der, wie oben beschrieben, sich niedrigschmelzende Eutektika bilden, wird der Behälter T mit seinem Inhalt geschmiedet und gewalzt, so daß ein Streifen entsteht. Die endgültige Bearbeitung wird bei Raumtemperaturen vorgenommen. Das supraleitende Material liegt dann in Form von dünnen Bändern vor, die durch Kupferbänder voneinander getrennt sind, und zwar in einem Verhältnis, das von der relativen Stärke der ursprünglichen Bleche abhängt.
Bei einer weiteren Ausbildung dieses Verfahrens wird der erhaltene Streifen in Längen geschnitten und diese werden in einen Kupferbehälter gestapelt, der dann geschlossen und der oben beschrie= benen Behandlung nochmals unterworfen wird. Auf diese Weise wird eine große Anzahl von noch dünneren Bändern des supraleitenden Materials erhalten.
F i g. 4 zeigt im Querschnitt einen Zusammenbau aus hexagonalen Stangen aus einer Nioblegierung S mit 44 °/o Titan und Kupferstäben C von hoher Reinheit S und C, welche in einen Kupferbehälter derart eingeschoben sind, daß jede Stange aus der Nioblegierung vollkommen durch Kupferstangen umgeben ist. Die am besten geeignete Querschnittsform für diese Stangen, welche in den rohrförmigen Zylinder T der F i g. 4 eingeführt werden, ist die hexagonale Form, da auf diese Weise die Stangen zu einem festen Bündel gepackt werden können, ohne daß Zwischenräume zwischen ihnen auftreten. Etwaige Zwischenräume um das Bündel herum können mit Streifen oder Drähten aus Kupfer ausgefüllt werden. Der Behälter T wird dann mit Deckeln versehen, evakuiert, was jedoch nicht erforderlich ist, verschlossen und wie oben beschrieben ausgezogen, um einen Draht zu bilden, welcher feine Fäden aus dem supraleitenden Material enthält. Der erhaltene Zusammenbau wird dann weiter kalt bearbeitet, um zu der endgültigen Abmessung zu gelangen, und kann auch wärmebehandelt werden, wie oben beschrieben wurde. Die Auspreßbehandlung ist die Form der mechanischen Bearbeitung welche oben für die primäre Stufe der Bearbeitung angegeben ist, wodurch die Verbindung des Supraleiters mit der Masse hervorgerufen wird, wobei in der zweiten Arbeitsstufe eine Streck- oder Ziehbehandlung durchgeführt wird. Durch diese Kombination der Behandlungsarten wird das Verhältnis des Supraleiters zur Masse konstanter gehalten als es bei einer Walzbehandlung der Fall ist, und das sich ergebende Produkt besitzt einen gleichmäßigen Querschnitt. Es kann jedoch auch mit einer Auspreßbehandlung allein oder Streckbehandlung allein gearbeitet werden.
Wenn bei den oben beschriebenen Verfahren Bleche oder Streifen des supraleitenden Materials zur Herstellung des Zusammenbaus verwendet werden, so können die Bleche oder Streifen mit Schlitzen in der Längsrichtung des endgültigen zusammengesetzten Materials versehen sein, um hierdurch eine größere Anzahl von Fäden zu bilden.
Anstatt die Elemente des Zusammenbaus zur Herstellung des zusammengesetzten Leiters in fester Form anzuwenden, können bei einer anderen Ausführungsform die Kerne des supraleitenden Materials auch in eine Form eingesetzt werden, die dann mit Kupfer ausgegossen wird. Dieser Zusammenbau wird dann ausgepreßt, wobei er zunächst gewünschtenfalls in eine entsprechende Hülse eingesetzt sein kann. Bei diesem Verfahren hat man eine beträchtliche Freiheit hinsichtlich der verschiedenen Art der Formen und Anordnung der Formen der Kerne aus dem supraleitenden Material.
Es kann weiterhin ein Kupferblock angewendet werden, welcher entsprechende Öffnungen oder Bohrungen aufweist, in die das supraleitende Material eingesetzt wird. Ein derartiger Block kann ein Gußstück oder ein Stück eines bearbeiteten Materials sein, in das die Öffnungen eingearbeitet sind. Nach dem Einführen der Kerne des Supraleiters wird dieses zusammengesetzte Arbeitsstück dann in der oben angegebenen Masse weiterverarbeitet.

Claims

Patentansprüche: 1. Verfahren zur Herstellung eines zusammengesetzten elektrischen Leiters durch gemeinsame mechanische Bearbeitung von mindestens einem einer Mehrzahl von Elementen oder Schichten aus einem duktilen Supraleitermaterial mit einem duktilen üblichen Material hoher elektrischer Leitfähigkeit und hoher Wärmeleitfähigkeit, um auf diese Weise eine Mehrzahl von Bändern, Fäden oder Schichten des Supraleitermaterials in einer Masse des üblichen Materials einzuschließen, wobei der Zusammenbau des Supraleiterelements oder der Supraleiterschicht mit dem duktilen üblichen elektrisch leitenden Material zunächst bei einer Temperatur zwischen Raumtemperatur und 550° C und darauf nochmals bei Raumtemperatur ausgepreßt oder verstreckt wird, nach Patentanmeldung P 16 40 506.-4-34, dadurch gekennzeichnet, daß von mindestens einem aufgerollten oder aufgewickelten Streifen von je einem duktilen supraleitenden Material und einem duktilen üblichen Material hoher elektrischer und Wärmeleitfähigkeit ausgegangen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von einem Zusammenbau ausgegangen wird, der durch abwechselndes Stapeln von Blechen oder Lagen aus einem duktilen Supraleitermaterial und einem duktilen üblichen Material hoher elektrischer und Wärmeleitfähigkeit in einem Behälter aus duktilem üblichen Material erhalten ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von einem Zusammenbau ausgegangen wird, der durch Einbringen einer Anzahl von Stangen aus duktilem supraleitendem Material und duktilem gewöhnlichem Material hoher elektrischer und Wärmeleitfähigkeit in einem Behälter aus duktilem üblichem Material erhalten ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von einem Zusammenbau ausgegangen wird, der durch Einbringen einer Anzahl von Stangen aus duktilem supraleitendem Material in Bohrungen oder Öffnungen eines Blockes aus duktilem gewöhnlichem Material hoher elektrischer und Leitfähigkeit erhalten ist.