DE2826810C2

DE2826810C2 -

Info

Publication number: DE2826810C2
Application number: DE2826810A
Authority: DE
Inventors: Engelbert Dr. 6458 Rodenbach De Springer
Original assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Current assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Priority date: 1978-06-19
Filing date: 1978-06-19
Publication date: 1988-02-25
Also published as: DE2826810A1

Description

Die Erfindung betrifft einen aus einer mindestens zwei Elemente enthaltenden supraleitenden intermetallischen Verbindung, einem bei der Betriebstemperatur des Supra leitermaterials elektrisch normalleitendem Material und einem Verstärkungsmaterial bestehenden Verbundleiter, wobei die supraleitende Verbindung erst nach der endgül tigen mechanischen Verformung des Verbundleiters durch eine Wärmebehandlung gebildet wird, sowie ein Verfahren zur Herstellung desselben.

Es sind bereits mechanisch verstärkte Supraleiter unter schiedlichen Aufbaus bekannt. Mechanisch verstärkte Supraleiter werden insbesondere für die Wicklungen von supraleitenden Großmagneten benötigt, bei deren Betrieb die Wicklungen großen Kräften ausgesetzt sind. Bei einem bekannten Hohlleiter (DE-OS 23 47 993) besteht das Rohr beispielsweise aus einer bei 200 bis 300°C aushärtbaren Kupfer-Beryllium-Legierung mit 1,5 bis 3 Gew.-% Beryllium, welche eine höhere Festigkeit aufweist als der aus elek trisch normalleitendem Material, beispielsweise Kupfer, mit eingelagerten supraleitfähigen Niob-Titan-Drähten beste hende bandförmige Leiter selbst. Der aus elektrisch nor malleitendem Material und Supraleitermaterial zusammen gesetzte Leiter wird nach seiner Herstellung im Innern eines aus zwei Teilstücken mit U-förmigem Querschnitt bestehenden Rohres angeordnet, wobei das Rohr aus rost freiem Stahl oder aus einer aushärtbaren Legierung bestehen kann. Die Temperatur der zur Aushärtung des Rohrmaterials dienenden Wärmebehandlung ist dabei allerdings so niedrig zu halten, daß zwar einerseits die gewünschte Festigkeitssteigerung des Rohr materials erreicht wird, andererseits aber die Supraleitungs eigenschaften der im bandförmigen Leiter enthaltenden Supra leiter noch nicht beeinträchtigt werden können.

Bei einer weiteren Leiteranordnung (DE-OS 26 54 924) sind mehrere Stränge aus einer normalleitenden Matrix, beispielsweise aus CuSn- oder CuGa-Bronze, mit eingelagerten Filamenten aus einer Komponente einer supraleitenden Verbindung vom Typ β-Wolfram, beispielsweise Nb oder V, zu einem Verbundkabel verseilt. Durch eine Wärmebehandlung nach dem Verseilen werden dann die Filamente ganz oder teilweise in die supraleitende Verbindung, zum Beispiel Nb₃Sn oder V₃Ga, umgewandelt. Nach teilig ist hierbei jedoch, daß die Stränge zwar gemeinsam mit den Verstärkungsdrähten zu einem Verbundkabel verseilt werden können, eine nachfolgende Formgebung jedoch nicht mehr ausge führt werden kann, weil die Verstärkungselemente gegenüber den Strängen in der Regel eine stark abweichende Verarbeitungs temperatur aufweisen. Das Verstärkungsmaterial kann nur durch einen zusätzlichen, sehr aufwendigen Fertigungsschritt in das Verbundkabel eingebracht werden, wobei eine Anzahl von supra leitenden Strängen vor oder nach der Diffusionsbehandlung ent fernt und in den entsprechenden Hohlräumen Verstärkungs material gleicher Abmessung angeordnet wird. Oder aber die fertigen supraleitenden Stränge müssen in ein Verstärkungs material eingebettet werden. Hierfür ist jedoch ebenfalls ein zusätzlicher Fertigungsschritt erforderlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen mechanisch verstärkten Leiter derart auszugestalten, daß er vor der Bildung der supraleitenden intermetallischen Verbindung in seiner Gesamtheit verformbar ist.

Bei einem Leiter der eingangs erwähnten Art wird dies erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß das Verstärkungs material vor Bildung der supraleitenden intermetallischen Verbindung gemeinsam mit den übrigen Leiterkomponenten auf die endgültige Leiterdimension verformt und nach Bildung der supraleitenden intermetallischen Verbindung ausge härtet wird, wobei das Verstärkungsmaterial aus einer aushärtbaren Metallegierung besteht, deren Homogenisie rungstemperatur bei oder oberhalb und deren Aushärtungs temperatur unterhalb der Bildungstemperatur der supra leitenden intermetallischen Verbindung liegt.

Der mechanisch verstärkte Leiter erhält somit als Leiterkomponente ein aushärtbares Verstärkungsmaterial, das seine maximalen Festigkeitseigenschaften erst durch Aushärtung nach der Wärmebehandlung erhält, die für die Bildung der supraleitenden intermetallischen Verbindung verantwortlich ist. Dies ist insofern vorteilhaft, als das duktile Verstärkungsmaterial vor der Aushärtung mit den übrigen Leiterkomponenten ohne Schwierigkeiten bearbeitet werden kann. Auch sind besondere Maßnahmen zur Herstellung einer festen mechanischen Verbindung zwischen dem Verstär kungsmaterial und den übrigen Leiterteilen nicht mehr er forderlich. Bisher führte insbesondere das nachträgliche Verlöten der bereits durch eine Diffusionswärmebehandlung reagierten Leiter mit dem Verstärkungsmaterial häufig zu inneren Verspannungen, beziehungsweise zu mechanischen Schädigungen der Filamentleiter, so daß sich die Strom tragfähigkeit des Leiters erheblich erniedrigte.

Als Supraleitermaterial eignet sich insbesondere die intermetallische Verbindung Nb₃Sn, während sich für das Verstärkungsmaterial eine aushärtbare CuNiMn-Legierung mit 20 Gew.-% Nickel und 20 Gew.-% Mangan als besonders günstig erwiesen hat. Diese aushärtbare Legierung kann beispiels weise nach einer Homogenisierungsglühung bei etwa 800°C abgeschreckt werden und ist dann mit den übrigen Leiter komponenten verformbar. Nach einer Aushärtungsbehandlung, beispielsweise von 8 Stunden bei 400°C, weist diese Kupferlegierung hohe Härte- und Festigkeitswerte auf. Gegenüber dem abgeschreckten Zustand steigt der Wert für die Streckgrenze bei 2% bleibender Dehnung von 195 auf 795 N/mm ².

Durch die gemeinsame Verarbeitung des bis zur Aushärtungs behandlung duktilen Verstärkungsmaterials mit den übrigen Leiterkomponenten ist es möglich, die Verstärkung im Leiter geometrisch völlig beliebig anzuordnen. Bei einer besonders einfachen Ausführungsform ist das Verstärkungsmaterial in der normalleitenden Matrix in Form wenigstens eines Drahtes einge bettet. Das Verstärkungsmaterial kann aber auch vorteilhaft die im normalleitenden Material eingebetteten supraleitenden Filamente umschließen.

Zur Vermeidung einer unerwünschten Diffusion, beispielsweise der niedrigschmelzenden Komponente Zinn der supraleitenden Verbindung Nb₃Sn in das Verstärkungsmaterial ist es ferner günstig, zwischen dem die niedrigschmelzende Komponente der supraleitenden Verbindung enthaltenden normalleitenden Material und dem Verstärkungsmaterial ein diffusionshemmendes Material anzuordnen. Dieses verhindert, daß Fremdatome die Aushärtung, beziehungsweise die Festigkeitseigenschaften des Verstärkungs materials nachteilig beeinflussen. Tantal hat sich für diesen Zweck als besonders geeignet erwiesen.

Besonders günstig ist die Herstellung des erfindungsgemäßen Leiters nach der Bronzetechnik, wobei zunächst ein Aufbau aus Stäben aus der hochschmelzenden Legierungskomponente der supra leitenden intermetallischen Verbindung, beispielsweise aus Niob, und diese umgebenden normalleitendem, die niedrigschmelzende Komponente enthaltendem Material, beispielsweise einer CuSn- Bronze mit etwa 13,5 Gew.-% Zinn, gebildet wird. Das duktile aushärtbare Verstärkungsmaterial kann entweder ebenfalls inner halb des normalleitenden Materials angeordnet sein oder aber dieses umschließen. Vorteilhaft befindet sich zwischen normal leitendem Material und Verstärkungsmaterial noch ein unerwünschte Diffusionsvorgänge hemmendes Material. Diese Anordnung wird zunächst unter Einschaltung von Zwischen glühungen, deren Temperatur unterhalb der Bildungstemperatur der supraleitenden intermetallischen Verbindung und oberhalb der Aushärtungstemperatur des Verstärkungsmaterials liegt, auf die endgültige Leiterdimension verformt. Die Zwischenglühungen dienen dabei zur Erholung des Gefüges von normalleitendem und Verstärkungsmaterial. Die supraleitende intermetallische Ver bindung wird dann durch eine Diffusionswärmebehandlung gebildet, die beispielsweise für die Bildung von Nb₃Sn zwischen etwa 650 und 750°C durchgeführt wird. Das bis zu diesem Zeitpunkt noch als duktile Leiterkomponente enthaltende Verstärkungs material wird abschließend einer Aushärtungsbehandlung unter worfen, wobei diese bei einer Temperatur durchgeführt wird, die sowohl unterhalb der Bildungstemperatur der supraleitenden intermetallischen Verbindung als auch unterhalb der Zwischen glühtemperatur liegt.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Verstärkungsmaterial durch eine Wärmebehandlung im Temperaturbereich von 375 bis 425°C ausgehärtet wird.

Anhand einiger Figuren sollen Auführungsbeispiele der Erfindung noch näher erläutert werden.

Die Fig. 1 und 2 zeigen schematisch bevorzugte Ausführungs formen des erfindungsgemäßen Leiters im Querschnitt.

Der in Fig. 1 gezeigte Leiter enthält ein elektrisch normal leitendes Material 1, das die niedrigschmelzende Komponente der supraleitenden intermetallischen Verbindung enthält. In diesem normalleitenden Material 1, beispielsweise einer CuSn-Bronze mit 13,5 Gew.-% Zinn, ist eine Vielzahl von Filamenten 2 der supraleitenden intermetallischen Verbindung, beispielsweise Nb₃Sn, eingebettet, die durch eine Diffusionswärmebehandlung entstanden sind. Dabei ist die im normalleitenden Material enthaltene niedrigschmelzende Komponente in die höher schmelzende Komponente einduffundiert und hat mit dieser unter Bildung der intermetallischen Verbindung reagiert. Diese Anordnung ist von einem aushärtbaren Verstärkungsmaterial 3, beispielsweise einer CuNiMn-Legierung mit je 20 Gew.-% Nickel und Mangan, Rest Kupfer, umgeben. Zwischen dem Verstärkungs material 3 und dem normalleitenden Material 1 ist ein Mate rial 4 zur Verhinderung unerwünschter Diffusion vorgesehen, beispielsweise Tantal.

Ein solcher Leiter kann zum Beispiel auf folgende Weise herge stellt werden. Man geht von einem Aufbau aus einem CuSn-Bronze block mit etwa 13,5 Gew.-% Zinn aus, in den 85 Niobstäbe einge lagert sind. Dieser wird querschnittsverringernd bis auf einen Enddurchmesser von etwa 20 mm bearbeitet und dann in einzelne Stücke zerteilt. 121 solcher Stücke werden zu einem Bündel zusammengefaßt und in ein Tantalrohr eingesetzt, das wiederum von einem Rohr aus einer aushärtbaren CuNiMn-Legierung mit 20 Gew.-% Nickel und 20 Gew.-% Mangan umhüllt wird. Dieses Vor produkt wird zuächst im Temperaturbereich von 600 bis 800°C stranggepreßt und dann weiteren querschnittsverringernden Ver arbeitsschritten unterzogen, wobei zur Erholung des Gefüges der CuSn-Bronze und des Verstärkungsmaterials von Zeit zu Zeit Zwischenglühungen bei 500 bis 600°C eingelegt werden. Die Niob fäden haben bei dem endgültigen Leiterdurchmesser von etwa 1 mm einen Durchmesser von ungefähr 3 µm. Die supraleitende intermetallische Verbindung Nb₃Sn wird dann durch eine 20stündige Diffusionswärmebehandlung bei etwa 700°C gebildet. Daran schließt sich eine weitere Wärmebehandlung im Temperatur bereich von 375 bis 425°C an, die die CuNiMn-Legierung aus härtet. Diese Aushärtungsbehandlung dauert je nach der gewählten Temperatur 5 bis 10 Stunden.

Eine andere Ausführungsform des anmeldungsgemäßen Leiters ist in Fig. 2 dargestellt. Hierbei ist das Verstärkungsmaterial 13 als Draht zentral im normalleitenden Material 11 angeordnet, in dem die supraleitenden Filamente 12 eingebettet sind. Das Verstärkungsmaterial ist wieder mit einem diffusionshemmenden Material 14 umgeben.

Insbesondere bei größeren Supraleitungsspulen kann es vorteil haft sein, eine zusätzliche Stabilisierung aus einem bei der Betriebstemperatur des Supraleitermaterials elektrisch normal leitendem Metall mit hoher elektrischer und thermischer Leit fähigkeit vorzusehen, wie beispielsweise Kupfer, Aluminium oder Silber. Diese Materialien können zum Beispiel zusätzlich ins normalleitende Material eingelagert und ebenfalls von einer diffusionshemmenden Schicht umgeben sein.

Der erfindungsgemäße Leiter ist nicht auf die beiden Ausführungs formen beschränkt. Auch andere Leitergeometrien können gewählt werden, beispielsweise kann der Leiter rechteckigen oder poly gonalen Querschnitt haben oder auch rohrförmig ausgebildet sein. Ferner können auch mehrere der in den Fig. 1 und 2 dargestell ten monolithischen Leiter miteinander oder um ein zusätzliches Verstärkungselement verseilt werden. Dieser Verbundkabelaufbau ist wegen der vollständigen Transposition der einzelnen Filamentleiter innerhalb des Kabels besonders zweckmäßig. Für Magnetspulenanwendungen wird auch hierbei die Wärmebehandlung erst nach der Bildung der supraleitenden intermetallischen Verbindung durchgeführt. Diese kann in an sich bekannter Weise vor oder nach dem Wickeln der Spule erfolgen. Das gleiche gilt für die Aushärtung.

Anzumerken ist ferner, daß das diffusionshemmende Material sowohl eine Diffusion der niedrigschmelzenden Komponente der supraleitenden intermetallischen Verbindung, beispielsweise Zinn, in das Verstärkungsmaterial als auch der Fremdatome des Verstärkungsmaterials in das normalleitende Material verhindern soll.

Claims

1. Aus einer mindestens zwei Elemente enthaltenden supra leitenden intermetallischen Verbindung (2), einem bei der Betriebstemperatur des Supraleitermaterials elektrisch normalleitendem Material (1) und einem Verstärkungs material (3) bestehender Verbundleiter, wobei die supra leitende Verbindung erst nach der endgültigen mechanischen Verformung des Verbundleiters durch eine Wärmebehandlung gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstärkungsmaterial vor Bildung der supraleiten den intermetallischen Verbindung gemeinsam mit den übrigen Leiterkomponenten auf die endgültige Leiterdimension ver formt und nach Bildung der supraleitenden intermetalli schen Verbindung ausgehärtet wird, wobei das Verstärkungs material (3) aus einer aushärtbaren Metallegierung besteht, deren Homogenisierungstemperatur bei oder ober halb und deren Aushärtungstemperatur unterhalb der Bil dungstemperatur der supraleitenden intermetallischen Verbindung liegt.

2. Leiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die supraleitende intermetallische Verbindung (2) Nb₃Sn ist und das Verstärkungsmaterial (3) aus einer CuNiMn- Legierung mit 20 Gew.-% Nickel und 20 Gew.-% Mangan besteht.

3. Leiter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß in das normalleitende Material (1) eine Vielzahl von Filamenten aus der supraleitenden intermetalli schen Verbindung (2) eingebettet ist.

4. Leiter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das normalleitende Material (1) die niedrig schmelzende Komponente der supraleitenden Ver bindung (2) enthält.

5. Leiter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekenn zeichnet durch wenigstens einen in das normalleitende Material (11) eingebetteten Draht (13) aus Verstärkungs material.

6. Leiter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstärkungsmaterial (3) das normalleitende Material (1) umhüllt.

7. Leiter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen dem normal leitenden Material (1) und dem Verstärkungsmaterial (3) ein Material (4) zur Verhinderung unerwünschter Diffusion befindet.

8. Verfahren zur Herstellung eines Leiters nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst eine aus den Leiterkomponenten gebildete Anordnung unter Einschaltung von Zwischenglühungen, deren Temperatur unterhalb der Bildungstemperatur der supraleitenden inter metallischen Verbindung und oberhalb der Aushärtungstemperatur des Verstärkungsmaterials liegt, auf die endgültige Leiter dimension verformt, dann bei der Bildungstemperatur der supra leitenden intermetallischen Verbindung geglüht und anschließend das noch duktile Verstärkungsmaterial bei einer Temperatur aus gehärtet wird, die sowohl unterhalb der Bildungstemperatur der supraleitenden intermetallischen Verbindung als auch unterhalb der Temperatur für die Zwischenglühungen liegt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekenn zeichnet, daß das Verstärkungsmaterial durch eine Wärme behandlung im Temperaturbereich zwischen 375 und 425°C ausge härtet wird.