DE2035654C3 - Verfahren zur Herstellung von Verbundsupraleitern - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von VerbundsupraleiternInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Verbundsupraleitern gemäß Oberbegriff des
Patentanspruches 1. Ein Verfahren dieser Art ist aus der FR-PS 15 15 919 bekannt.
Bei diesem bekannten Verfahren werden sechs supraleitende, in ein stabilisierendes Material eingebettete
Drähte parallel zu einem Träger von etwa gleichem Durchmesser angeordnet und das so entstandene
Gebilde wird durch Walzen zu einem Verbundsupraleiter mit polygonalem Querschnitt geformt.
Darüber hinaus sind Verfahren zur Herstellung massiver Verbundsupraleiter, in denen die supraleitende
Elemente zueinander parallel sind, bekannt. Die hierzu angewendeten Verfahren bestehen beispielsweise im
Straiigpreßen, Auswalzen von Kupfer- oder Aluminiumbarren,
in die Barren aus supraleitendem Material eingebettet sind, oder im Einsetzen oder Einpressen
supraleitender Drähte in mit Rillen oder Nuten versehenen Kupfer- oder Aluminiumbändern. Weiterhin
ist bekannt, die Drähte mit einem darum gewickelten Band mit Hilfe eines Metalles mit
niedrigem Schmelzpunkt zu verlöten oder zu verschweißen. Schließlich können auch noch die supraleitenden
Elemente mit Bändern oder zwischen Bänder in der Hitze plattiert werden.
Ebenso ist es bekannt, hohle Verbundsupraleiter durch Extrusion über einen schwimmenden Dorn zu
gewinnen. Dabei geht man von einer Verbundanordnung aus, bei der das supraleitende rohrförmige
ze Element vorzugsweise parallel im Inneren eines Rohres
oder auch zwischen zwei Rohren angeordnet ist, das bzw. die gute elektrische Leiter und gute Wärmeleiter
sind.
Die bei diesem Verfahren verwendeten supraleitenden Werkstoffe sind bekannt. Es handelt sich insbesondere
um die Legierungen NbTi, NbZr, NbTiZr, sowie um die Verbindungen Nb3Sn, V3Ga, V3S1. Als stabilisierende
Werkstoffe werden Cu, Al, Ag, Be, Pb, Sn, In verwendet.
Die verschiedenen vorbekannten Verfahren besitzen
u. a. die folgenden Nachteile:
Die supraleitenden Elemente sind zueinander parallel und die Verbundanordnung ist der Sitz vagabundierender
Ströme, die nur langsam abnehmen und das ordnungsgemäße Betriebsverhalten der aus diesen
Verbundsupraleitern hergestellten Wicklungen beeinträchtigen.
Bei nach dem Extrusionsverfahren hergestellten Verbundsupraleitern die unterbrechungsfreien Längen
relativ gering; sie betragen beispielsweise 300 m. Diese Längenbegrenzung ist durch das Werkzeug bedingt.
Die zwischen dem Supraleiter und dem stabilisierendem Werkstoff hergestellte Verbindung ist häufig nur
von mittelmäßiger Qualität insbesondere bei der Verwendung von Metallen mit niedrigem Schmelzpunkt
als Bindemittel.
Die sonach hergestellten supraleitenden Elemente haben einen Aufbau, der zu einer großen Anisotropie
führt, insbesondere bei bandförmigen Elementen und ihr großer Durchmesser, der für Drähte zwischen 0,25 und
so 1 mm liegt, läßt nicht die Stabilisierung erzielen, die mit sehr dünnen Drähten mit Durchmessern in der
Größenordnung von 2 bis 200 μ erreicht wird.
Im Falle des Extrusionsverfahrens ist eine besondere Vorbereitung der Elemente des Verbundsupraleiters
notwendig, wodurch diese schwierig zu handhaben und teuer werden.
Schließlich werden die Supraleiter — insbesondere im Falle der Herstellung nach dem Extrusionsverfahren —
auf Temperaluren erhitzt, die den bestmöglichen supraleitenden Eigenschaften abträglich sind.
Es ist bekannt, supraleitende Wicklungen aus hohlen Supraleitern herzustellen, in denn zur Kühlung Helium
zirkuliert. Die Vorteile dieser Technik sind der einfache Aufbau des Kryostaten, die Möglichkeit einer äußeren
*>' Isolierung und die durch die bessere Kühlung verbesserte
Stabilisierung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Verbundsuprateitcrn zu
schaffen, mit dem es gelingt eine sehr gute metallurgische Verbindung zwischen den einzelnen Bestandteilen
insbesondere auch bei Verwendung sehr dünner, supraleitender Einzelelemente zu erzielen.
Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöst
Das Verfahren nach der Erfindung hat den Vorteil, gleichermaßen für die Herstellung massiver oder hohler
Verbundsupraleiter anwendbar zu sein. Es ermöglicht weiterhin die Herstellung großer ununterbrochener
Längen und die damit erhaltenen Verbundsupraleiter zeichnen sich durch einen gegenüber den bisher
bekannten Verbundsupraleitern verbesserte thermische und elektrische Stabiiität aus, was insbesondere auch auf
die Drillung der supraleitenden Einzelelemente zurückzuführen ist, wodurch deren Achse im Endprodukt in
Bezug auf dessen Achse geneigt ist.
Eine besonders gute Stabilisierung erreicht man bei dem erfindungsgemäßen Verfahren dadu/ch, daß die
mehrdrähtigen Supraleiter der Einzelelemente einen Durchmesser von kleiner oder gleich 200 μπι haben.
Eine andere vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens, die die Herstellung hohler
Verbundsupraleiter einer gewünschten Querschnittsform gestattet, zeichnet sich dadurch aus, daß die
Drillung und Plattierung der supraleitenden Einzelelemente auf einen stabilisierenden Trägerwerkstoff in
Form eines abgeplatteten Rohres in der Hitze durch Einführen und Aufweiten dieser Anordnung in einer
Matrize zur Erzielung eines hohlen Verbundsupraleiters gewünschter geometrischer Form abgeschlossen wird.
Die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens besteht aus folgenden Teilen: einer Einrichtung zur Erhitzung des stabilisierenden Trägerwerkstoffes;
einer Einrichtung zur Zufuhr und Verdrillung der supraleitenden Einzelelemente um den
stabilisierenden Trägerwerkstoff; einem Plattier-Zieheisen und einer Schutzkammer mit reduzierender
Atmosphäre für den erhitzten Teil des Trägerwerkstoffes und die Heiß-Plattierung der Einzelelemente auf den
Trägerwerkstoff.
Unter dem hier verwendeten Begriff der Verdrillung wird folgendes verstanden: Entweder wird das supraleitende
Material in Form dünner, bereits in einem stabilisierenden Werkstoff eingebetteter Drähte spiralig
um den Trägerwerkstoff herumgelegt oder es wird der mit den dünnen supraleitenden Drähten versehene
Supraleiter, um den diese Drähte bereits gedrillt sein können, je nach der Form des Endproduktes um den
stabilisierenden Trägerwerkstoff, auf den er plattiert wird, von neuem bzw. nochmals verlitzt, gerollt oder
gewickelt. Die Achse der dünnen, litzenähnlichen Drähte ist folglich in Bezug auf die Längsachse des
endgültigen Verbundleiters geneigt und dieser wird als verdrillter Leiter bezeichnet.
Das erfindungsgemäße Verfahren geht von Verbundsupraleiterelementen
aus, wie sie in der französischen Patentschrift 14 60 032 (Anmeldetag 14.10.1965, Anmelderin
Compagnie Francaise Thomson-Houston Hotchkiss Brandt), deren entern Zusatz 90 029 (Anmeldetag
18.3.1966) deren zweitem Zusatz 166 890 (Anmeldetag 20.9.1968), sowie aus der französischen
Patentschrift 15 84 811 (Anmeldetag 12. 9. 1968, Anmelderin
Compagnie Francaise Thomson-Houston — Hotchkiss Brandt) bekannt sind. Diese Verbundsupraleiterelemente
werden auf einen stabilisierenden Trägerwerkstoff, der als Stange, Barren, Platte, Band
oder Rohr vorliegen kann, in der Hitze aufplattiert. Die Plattiertemperaturen liegen etwa zwischen 200 und
800° C, vorzugsweise jedoch zwischen 400 und 600° C. Die Querschnittsverminderungen können zwischen 0
und 80% liegen und hängen von der Plattiertemperatur
ab. Die Plattierung erfolgt unter neutraler oder Schutzgasatmosphäre, beispielsweise unter Stickstoff,
der 10% Wasserstoff enthält Die Plattierung kann in einem oder mehreren Schritten nach bekannten
Verfahren wie Walzen, Streckziehen, Drahtziehen oder
ίο Hämmern erfolgen.
Darüber hinaus können Verstärkungselemente, beispielsweise rostfreier, antimagnetischer Stahl oder eine
Kupferlegierung wie CuBe anstelle bestimmter supraleitender Einzelelemente eingefügt werden, um dem
Endprodukt eine verbesserte mechanische Festigkeit zu geben.
Bei den vieldrähtigen, supraleitenden Einzelelementen sind die Einzeldrähle sehr dünn; ihr Durchmesser
liegt beispielsweise zwischen 2 und 200 μΐη. Hierdurch
wird die Stabilität des Endproduktes erhöht. Die hohlen Verbundsupraleiter können im Querschnitt innen und
außen insbesondere rund, quadratisch, rechteckig oder vieleckig sein und bei der Herstellung von rohrförmigen
Leitern kann ein Mitteldorn, ein schwimmender Dorn oder eine Ziehnuß zur Beibehaltung des inneren
Hohlraumes verwendet werden.
Nach der Erfindung ist es ebenso möglich, die Plattierung mit einer großen Anzahl sehr dünner Drähte
der Verbindung Nb + Sn durchzuführen. In diesem Falle wird zunächst das supraleitende Element nach
folgendem Verfahren hergestellt: In einem ersten Schritt wird das supraleitende Verbundelement in Form
dünner Drähte aus Niob und Zinn, die in einem beispielsweise aus Stahl oder Nickel bestehenden
Mantel stranggepreßt sind, hergestellt, Dieser Vorgang kann unter Zusammenfassung der im jeweils vorhergehenden
Schritt erhaltenen Elemente mehrere Male wiederholt werden. Die so erhaltene Anordnung bildet
das supraleitende Element, das in der Hitze auf einen Barren oder ein Rohr plattiert wird, wie vorstehend
bereits beschrieben. Nach der Plattierung wird das Produkt einer erneuten Erhitzung während einer Dauer
von 10 Minuten bis 5 Stunden bei Temperaturen zwischen 600 und 1200°C und vorzugsweise zwischen
800 und 1000°C unterzogen, um die Verbindung NbjSn zu bilden, die in Form dünner Drähte von beispielsweise
2 bis 50 μπι Durchmesser vorliegen und in eine Matrize
aus Zinn und Stahl eingebettet sind. Bei dem Verfahren kann statt von Zinn von einer Legierung AlGe
ausgegangen werden; das Endprodukt enthält dann folglich Drähte aus Nb3 (AlGe).
In der Zeichnung sind das erfindungsgemäße Verfahren und seine vorteilhaften Weiterbildungen
anhand mehrerer danach erhaltener und beispielsweise gewählter Ausführungsformen von Verbundsupraleitern
schematisch veranschaulicht. Weiterhin enthält die Zeichnung eine Darstellung einer beispielsweise gewählten
Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung de» geschilderten Verfahrens.
Die F i g. 1 bis 3 zeigen im Schnitt die supraleitenden Verbundelemente, von denen ausgegangen wird und dit
naui den aus den obengenannten Patentschriften bekannten Verfahren hergestellt sind. Diese Elemente
werden verdrillt und aufplattiert.
Fig. 1 stellt einen eindrähtigen, runden Supraleiter 1
aus NbTi dar, der von einem Kupfermantel 2 umgeben wird.
Fig. 2 veranschaulicht mehrdrähtige Supraleiter 3, die nicht verdrillt sind, aus NbTi bestehen und zur
Stabilisierung in Kupfer 4 eingebettet sind.
Fig. 3 gib! vieldrähtige Bänder 5 wieder, die nicht
verdrillt sin^. und aus NbTi bestehen und zur
Stabilisierung in Kupfer 6 liegen.
F i g. 4 zeigt mehrdrähtige Supraleiter 7 aus NbTi, die verdrillt sind und in einem stabilisierenden Werkstoff
aus Kupfer 8 liegen; sie dienen als Ausgangselemente bzw. Einzelelemente für die Verdrillung und Plattierung.
F i g. 5 läßt Drähte 9 aus Niob und Drähte 10 aus Zinn erkennen,
F i g. 6 veranschaulicht verdrillte Bänder 12 aus NbTi, die in einem stabilisierenden Mantel 13 liegen.
Die F i g. 7, 8, 10, 13, 15 zeigen perspektivisch die \'<
Einzelsupraleiter, die vor der Plattierung auf dem Trägerwerkstoff angeordnet werden.
In Fig. 7 sind die mehrdrähtigen, unverdrillten Supraleiter 14, die in einen stabilisierenden Werkstoff 15
eingebettet sind, unter Verdrillung auf einem quadratisehen Barren 16 angeordnet.
In Fig. 8 sind die eindrähtigen Supraleiter 17, die in
einen stabilisierenden Werkstoff 18 eingebettet sind, ohne Verdrillung auf einem quadratischen Barren 19
angeordnet. ■>'<
In Fig. 10 sind die mehrdrähtigen, verdrillten Supraleiter 20, die in einen stabilisierenden Werkstoff 21
eingebettet sind, unter Verdrillung auf einem abgeplatteten Rohr 22 angeordnet, dessen Innenwand mit einer
Substanz überzogen ist, die eine Verschweißung so während der Heißplattierung verhindert und beispielsweise
eine Tinte ist, was nach der Abplattung den Strich 23 ergibt.
In Fig. 13 sind die mehrdrähtigen, verdrillten Supraleiter 24, die in einen stabilisierenden Werkstoff 25 r>
eingebettet sind, unter Verdrillung auf ein rundes Rohr 26 aufgebracht.
In Fig. 15 sind zwei Bänder 27 und 28 aus mehrdrähtigen, unverdrillten Supraleitern unter Verdrillung
auf einem runden Rohr 29 angeordnet. ^o
Die Fig. 9, 11, 12, 14, 16 stellen für jeden der betrachteten Fälle einen Schnitt durch das Endprodukt
unter Verwendung derselben Bezugsziffern dar, das für die Fig. 11 und 12 nach Plattierung und unter Druck
vorgenommener Aufweitung in einer Matrize erhalten « wird.
Die F i g. 9 entspricht dem Endprodukt, das aus der Anordnung nach den F i g. 7 und 8 erhalten wird.
Die F i g. 7 und 12 entsprechen dem Endprodukt, das aus der Anordnung nach F i g. iö erhalten wird. w
Die Fi g. 14 entspricht dem Endprodukt, das aus der Anordnung nach Fig. 13 und nach Fig. 15 erhalten
wird.
Für die nachfolgende Beschreibung wird die Herstellung des Endproduktes nach Fig. 14 als Beispiel
gewählt.
Zunächst wird das supraleitende Einzelelement hergestellt, das in diesem Falle mehrdrähtig ist und dem
nach Fig.4 entspricht Das Element wird durch aufeinanderfolgende Streckziehvorgänge erhalten, wie «i
dies aus den vorstehend genannten Patentschriften bekannt ist Das mehrdrähtige Element hat einen
Durchmesser von 1,65 mm und besteht aus 133 Drähten von 100μίτι Durchmesser; die Matrize, d.h. der
Werkstoff, in den diese Drähte eingebettet sind, ist Kupfer hoher Reinheit Die Ganghöhe, & h. die Länge,
innerhalb derer eine vollständige Drehung um 360° erfolgt ist, beträgt etwa 40 cm.
Im zweiten Verfahrensschritt führt man die Plattierung
mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung durch, die in Fig. 17 schematisch dargestellt ist. Man plattiert
vierundvierzig mehrdrähtige Supraleiter 30 mit einem Durchmesser von 1,65 mm, die zweckmäßigerweise
vorher entfettet und gesäubert sind, auf ein Kupferrohr 31 mit den Abmessungen 14/20 und einer Länge von
800 m, das ebenfalls gereinigt und auf eine Temperatur von 400 bis 8000C durch Widerstands- oder Hochfrequenzerwärmung
oder durch Erwärmung in einem nicht dargestellten Widerstandsofen gebracht wurde. Die
nicht erhitzten mehrdrähtigen Leiter 30, die sich folglich auf Umgebungstemperatur befinden, kommen von
Spulen 32 und waren bei 33 um das erhitzte Rohr auf drei oder vier Umdrehungen kurz vor der Plattier-Ziehvorrichtung
gewickelt. Der erhitzte Teil des Rohrs 31 und die Kammer 34 nahe der Ziehvorrichtung werden
durch Zufuhr eines Gemisches von beispielsweise 90°/o N2 + 10% H2 über den Rohrstutzen 35 unter einer
reduzierenden Atmosphäre gehalten. Während in der Figur in schematischer Vereinfachung nur zwei
Vorratsspulen 32 dargestellt sind, handelt es sich in Wirklichkeit um vierundvierzig Spulen 32, die sich
insgesamt um das Rohr 31 drehen, so daß die mehrdrähtigen Supraleiter in der gewünschten Ganghöhe
um das Rohr gewickelt werden, wobei diese Ganghöhe im gewählten Beispiel etwa 1 m beträgt.
Ein Ende der mehrdrähtigen Supraleiter ist vorzugsweise auf dem Rohr 31 beispielsweise mittels Hartlot 36
und Bildung einer Spitze gehalten, die die Einführung in die Ziehvorrichtung bzw. das Zieheisen oder den
Ziehstein 37 ermöglicht. Im Inneren des Rohres ist ein Ziehdorn 38 angeordnet der mit einem Schmiermittel
überzogen ist, wie beispielsweise Molydbändisulfid, das seine Schmierfähigkeit auch bei den auftretender
Temperaturen in der Größenordnung von 400 bis 800° C beibehält.
Die Plattierung wird durch Streckziehen mit einer Geschwindigkeit von 3 m je Minute durchgeführt. Die
Reduktion je Schritt beträgt 35—40%. Der Innendurchmesser des runden, rohrförmigen Endproduktes betrag!
12 mm, der Außendurchmesser beträgt 19 mm. Da: Endprodukt enthält 5852 supraleitende Drähte mil
einem Durchmesser von je etwa 80 μπι und einei
Ganghöhe von etwa 1 m. Der kritische Strom diese; Materials beträgt etwa 25 000 Ampere bei 5 Tesla.
Darüber hinaus kann dieses Produkt in einerr Formzieheisen kalibriert werden, um ihm quadratisch«
oder rechteckige Form zu verleihen. Es kann außerderr in weiteren Schritten zur Verringerung seines Querschnittes
mit Dorn kaltgezogen werden.
Eine andere Art der Herstellung besteht darin, al; Ausgangselement zwei Verbundbänder zu nehmen, wis
sie in Fig.3 dargestellt sind. Die Vorgänge dei
Plattierung sind die gleichen. Selbstverständlich is dabei aber das Aufwickeln dieser Bänder um das Rohr
vereinfacht da es sich nur um zwei Bänder handelt Da;
erhaltene Endprodukt entspricht dem in Fig. K
dargestellten.
Eine andere Art der Herstellung besteht darin, vor mehreren NbaSn-Bändern auszugehen, die nach be
kannten Verfahren, beispielsweise durch Diffusion hergestellt anschließend elektrolytisch verkupfert um
mit Kupferbändern plattiert wurden. Diese Anordnunj hat eine Breite von 6 bis 10 mm und eine Dicke voi
150μπι. Die Bänder werden um ein Rohr mit eine:
Ganghöhe von 60 mm gewickelt wobei ein schmale: Spalt zwischen den Bändern verbleibt Die Plattierunf
wird bei einer Temperatur von 3000C vermittels einer
Verlötung, beispielsweise auf Zinn-Blei-Basis durchgeführt, die eine Verbindung zwischen dem Rohr und den
NbjSn-Bändern bewirkt. Die NbsSn-Bänder können
durch mehrdrähtige Leiter aus Nb + Sn + Stahl 5 ersetzt werden. Diese Anordnung aus um ein Rohr
gewickelten Bändern wird in der beschriebenen Art und Weise in der Hitze aufplattiert. Das plattierte
Endprodukt wird für eine Dauer von vier Stunden auf 950° C erhitzt, um die Bildung von NbjSn herbeizuführen.
Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren und gegebenenfalls mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
erzielten Endprodukte haben die folgenden Eigenschaften:
Sie lassen sich in großen, ununterbrochenen Längen in der Größenordnung mehrerer Kilometer herstellen.
Ihre Zusammensetzung bzw. ihr Aufbau und damit ihre elektrischen Eigenschaften lassen sich in großem
Umfang variieren.
Zufolge der faserartigen Textur der supraleitenden Drähte sind sie isotrop.
Die Feinheit der Drähte ergibt eine hohe Stabilität.
Durch die Verdrillung treten parasitäre Ströme in verringertem MaQe auf.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (10)
- Patentansprüche:!. Verfahren zur Herstellung von Verbundsupraleitern, bei denen in stabilisierendem Material eingebettete supraleitende Drähte um einen stabilisierenden Trägerwerkstoff angeordnet und aufplattiert werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerwerkstoff erhitzt wird und die supraleitenden Drähte in einer Gasatmosphäre um den Trägerwerkstoff spiralförmig fortschreitend aufplattiert werden.
- 2. Verfahren nach Anspruch J, dadurch gekennzeichnet, daß der stabilisierende Trägerwerkstoff in Form von Stangen, Barren, Platten, Bändern oder Rohren verwendet wird.
- 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die supraleitenden Einzelelemente aus mehrdrähtigen, runden, in einen stabilisierenden Werkstoff eingebetteten Supraleitern bestehen.
- 4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die supraleitenden Einzelelemente mehrdrähtige, in einen stabilisierenden Werkstoff eingebettete Bänder sind.
- 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die mehrdrähtigen Supraleiter der Einzelelemente einen Durchmesser von kleiner oder gleich 200 μ haben.
- 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der stabilisierende Trägerwerkstoff durch elektrische Widerstandserwärmung erhitzt wird.
- 7. Verfahren nach einem tier Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der stabilisierende Trägerwerkstoff durch Hochfrequenzerwärmung erhitzt wird.
- 8. Verfahren nach einem der Ansprüche I bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der stabilisierende Trägerwerkstoff in einem Widerstandsofen erhitzt wird.
- 9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drillung und Plattierung der supraleitenden Einzelelemente (20, 21) auf einen stabilisierenden Trägerwerksloff in Form eines abgeplatteten Rohres (22) in der Hitze durch Einführen und Aufweiten dieser Anordnung in einer Matrize zur Erzielung eines hohlen Vcrbundsupraleiters gewünschter geometrischer Form abgeschlossen wird.
- 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß vorzugsweise beim Plattieren der supraleitenden Einzelelemente eines deren Enden mittels Hartlot (36) auf dem stabilisierenden Trägerwerkstoff gehalten wird.
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