AT255143B - Verfahren zur Herstellung eines Gegenstandes, der zumindest auf einem Teil seiner Oberfläche eine ununterbrochene Schicht aus Nb3Sn aufweist - Google Patents

Description

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   Verfahren zur Herstellung eines Gegenstandes, der zumindest auf einem Teil seiner Oberfläche eine ununterbrochene Schicht aus 
Nb Sn aufweist
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Die Erfindung betrifft eine Herstellung von Gegenständen, die eine Schicht aus einer spröden intermetallischen Verbindung von Niob und Zinn aufweisen, welche bei niedrigen Temperaturen Supraleitereigenschaften besitzt, und bezieht sich insbesondere auf Gegenstände, die zumindest auf einem Teil ihrer Oberfläche eine ununterbrochene Schicht aus der intermetallischen Verbindung aufweisen. Diese Verbindung kann dabei durch die Formel Nb3Sn wiedergegeben werden, welche im allgemeinen als die Formel der supraleitfähigen intermetallischen Verbindung von Niob und Zinn angenommen wird.

   Dies schliesst   die Möglichkeit der stöchiometrischen Mengen nicht aus,   ebenso nicht, dass eine Verbindung mit leicht ver- änderter Formel für die Supraleitereigenschaften verantwortlich ist. 



   Um die Eigenschaften der Verbindung am vorteilhaftesten ausnutzen zu können, muss sie oft in Form dünner Streifen oder Folien vorliegen, die in geeigneter Form für elektrische Apparate verarbeitet werden können. Die Verbindung ist jedenfalls ausserordentlich hart und spröde, weshalb sie nach normalen Verfahren unmöglich verarbeitet werden kann. 



   Die Erfindung betrifft daher ein Verfahren zur Herstellung eines Gegenstandes, der zumindest auf einem Teil seiner Oberfläche eine ununterbrochene Schicht aus   Nb3Sn   aufweist, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass man ein zusammengesetztes Gebilde aufbaut, das eine Trägerschicht aus Niob, eine Zwischenschicht aus Zinn oder aus einer Mischung aus Niob und Zinn in Pulverform, und eine Deckschicht aus Niob in Pulverform, umfasst, wobei die Menge an Zinn grösser ist als die Gesamtmenge des in der Zwischenschicht und den Deckschichten vorhandenen Niob, dass man das zusammengesetzte Gebilde zur Herstellung eines duktilen Überzuges aus einer Zinn-reichen Nioblegierung durch Reaktion zwischen der Zwischenschicht und den Deckschichten in einer nichtoxydierenden Atmosphäre auf eine Temperatur zwischen 700 und 11500C erwärmt,

   dass man das abgekühlte Gebilde zu dem gewünschten Gegenstand kaltbearbeitet und fertigt und dass man den Gegenstand in einer nichtoxydierenden Atmosphäre auf eine Temperatur zwischen 650 und 11500C erhitzt. 



   Die   Ausdrücke"Niob"und"Zinn"umfassen   erfindungsgemäss auch Legierungen von Niob oder Zinn. welche, wenn sie miteinander erhitzt werden, unter Bildung der gewünschten Reaktionsprodukte reagieren. 



    Unter"reaktionsfähig"ist   zu verstehen, dass die Zwischenschicht und die Deckschicht im Vergleich zur Trägerschicht in einer ausreichenden reaktionsfähigen physikalischen Form, nämlich in Pulverform, vorliegen sollen, um miteinander zu reagieren, ehe eine merkliche Reaktion zwischen der Zwischenschicht und der Trägerschicht stattfindet. 



   Vorzugsweise besteht das Schichtgebilde aus einer Trägerschicht aus geschmiedetem Niob, einer Zwischenschicht aus Zinn in zerkleinerter Form und aus einer Deckschicht aus Niob in zerkleinerter Form. 



  Eine besonders geeignete Form von Pulver wird durch Niederschlagen auf elektrophoretischem Weg erhalten. Gute Ergebnisse werden mit einem   Zinnpulvemiederschlag   in einer Stärke von etwa 1, 2 mm und einem Niobpulvemiederschlag in einer Stärke von etwa 0,76 mm unter Bildung einer kombinierten Deck- 

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 und Zwischenschichtzone, worin das Gewichtverhältnis von Zinn zu Niob 60 : 40 beträgt, erhalten. Die Anteile sind nicht kritisch, so lange das Zinn in dieser Zone in einem ausreichenden Überschuss zugegen ist, um die duktile Zinn-Niob-Feststofflösung zu bilden. 



   Die erste Wärmebehandlung soll zu einer Umsetzung der Zwischen- und Deckschicht zu einer an Zinn angereichterten Phase, welche sodann zu einer duktilen   Zinn-Niob-Feststofflösung   abgekühlt wird, führen. 



   Wenn im Vakuum erhitzt wird, so ist es zweckmässig, das Erhitzen und Abkühlen so rasch als möglich durchzuführen, um die Verdampfung des Zinns zu reduzieren und unter Ermöglichung der Reaktion zwischen Zwischenschicht und Deckschicht eine Reaktion zwischen der Zwischenschicht und der Trägerschicht weitgehendst zu vermindern. Im allgemeinen genügt eine Zeit von etwa 1/2 h. Die erste Wärmebehandlung soll bei einer Temperatur im Bereich von 700 bis 11500C. vorzugsweise zwischen 800 und   1000OC,   durchgeführt werden. Eine geeignete nicht oxydierende Atmosphäre wird beispielsweise durch Vakuum oder ein inertes Gas geschaffen. 



   Die weitere Verarbeitung erfolgt   zweckmässigerweise   durch Kaltbearbeitung zur Form von Blech oder Draht und beispielsweise nachfolgendes Aufwickeln zu elektrischen Wicklungen. Liegt das Schichtgebilde in Form einer Walzplatte vor, so kanal diese kaltgewalzt und vor dem Wickeln gegebenenfalls geschnitten werden. 



   Die zweite Wärmebehandlung verursacht eine Reaktion des Zinns mit dem Niob in der Deckschicht und in der langsamer reagierenden Trägerschicht unter Bildung   vonNb Sn.   Die Anteile von Niob und Zinn sind nicht kritisch, da die gebildete Verbindung teils von der Erhitzungstemperatur und weniger von den Anteilen der zugegenen Bestandteile abhängt, es ist jedoch die Gegenwart einer ausreichenden Menge Niob erforderlich, um eine geeignete Menge an   Nb Sn   zwischen 650 und 11500C zu bilden. Vorzugsweise wird eine Temperatur im   Bereich von 730 bis 10500c   angewendet. Soll das Niob dem Endprodukt mechanische Festigkeit vermitteln, so ist es erforderlich, dass nach der Wärmebehandlung etwas nicht umgesetztes Niob vorhanden ist.

   Es kann das ganze Zinn zur Umsetzung gebracht werden, in   einigen Fällen   jedoch können kleine Zonen an nicht umgesetztem Zinn verbleiben. 



   An Stelle von Niob kann ein Trägermaterial aus einem sich mit Niob leicht verbindenden Metall, wie z. B. Kupfer, verwendet werden, um mechanische Festigkeit zu erreichen. In diesem Falle besteht das Schichtgebilde aus einer Schicht Kupfer, auf welche beispielsweise eine dünne Trägerschicht aus Niob aufgebracht ist, auf der sich die Zwischenschicht aus Zinn und eine Deckschicht aus Niob befinden. 



   Die Erfindung wird durch das folgende Beispiel, ohne auf dieses beschränkt zu sein, näher erläutert. 



   Eine Trägerschicht in Form eines Bleches aus geschmiedetem Niob mit einer Stärke von 0, 5 mm wurde durch Elektrophorese mit einer Zwischenschicht von pulverförmigem Zinn in einer Stärke von 1, 2 mm und einer Schicht von pulverförmigem Niob in einer Stärke von 0, 76 mm überzogen. Das Zinn wurde aus einer Suspension von Zinnpulver mit einer Teilchengrösse von 0, 076 mm in einem durch Rühren in Bewegung gehaltenen Flüssigkeitsgemisch aus gleichen Teilen Nitromethan und Isopropylalkohol, das   21o Zein und 0,03 g Aluminiumnitrat pro 100 cm# enthält, und das Niob aus einer Suspension von Niob-   pulver in einem durch Rühren in Bewegung gehaltenen Flüssigkeitsgemisch aus gleichen Teilen Nitromethan und Isopropylalkohol, das   21o   Zein und 0. 01 g Aluminiumnitrat pro 100   cm3   enthält, niedergeschlagen.

   Eine platinierte Titananode wurde bei einem Anoden-Kathoden-Abstand von etwa 4 cm und einer Stromdichte von 2, 5 mA/cm2 angewendet, wobei eine Ausbeute von 0, 006   g/cm2/min   erzielt wurde. Beim Niob wurde eine Stromdichte von 0, 0672 mA/cm2 angewendet und eine Ausbeute von 0, 006   g/crn2   in 30 sek erzielt. 



   Die auf diese Weise erhaltenen Schichten waren ausreichend zusammenhängend und gut zu handhaben. Das Schichtgebilde wurde einer ersten Wärmbehandlung im Vakumm während 1/2 h bei 8000C unterworfen, um eine an Zinn angereicherte Phase in der Zone umfassend die Zwischenschicht und die Deckschicht zu bilden und sodann abgekühlt, um eine   duktileOberflächenschicht einerZinn-Niob-   Feststofflösung zu ergeben. Die elektrophoretisch niedergeschlage Zwischenschicht und Deckschicht waren reaktionsfähiger als die Niob-Trägerschicht und reagierten daher unter Bildung einer zinnreichen Phase noch vor dem Auftreten einer merklichen Reaktion zwischen dem Zinn und den Niobträger. Der Schichtaufbau wurde sodann zu einer Stärke von 0, 12 mm kaltgewalzt und es wurden zwei Spulen in einer für elektrische Windungen geeigneten Form gebildet.

   Eine Spule wurde 2 h lang einer zweiten Wärmebehandlung im Vakuum bei 7300C und die andere 1 h lang bei 10500C unterworfen, um Oberflächenschichten von   Nb3Sn   zu bilden. Während dieser Wärmebehandlung reagierte die zinnreiche Phase in der Zwischenschicht und der Deckschicht mit dem Niob in der Trägerschicht durch Diffusion unter Bildung von   NbgSn.   



   Obgleich sich das Beispiel auf die Herstellung von Blech bezieht, ist es in gleicher Weise möglich, 

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 beispielsweise durch Ziehen einen Draht zu bilden. In diesem Falle besteht das Schichtgebilde aus einem Kern aus geschmiedetem Niobstab oder Niobdraht, auf welchem die Zwischenschicht und die Deckschicht niedergeschlagen sind. Weiters können die Zwischenschicht und die Deckschicht in jeder geeigneten für die Bildung der duktilen zinnreichen Phase durch Umsetzung zwischen diesen beiden Schichten und nicht mit der Trägerschicht ausreichend reaktionsfähigen Form vorliegen. Auch kann die Zwischenschicht aus einem Gemisch von Zinn und Niob an Stelle von reinem Zinn bestehen.

   Die Trägerschicht aus   geschmie-   detem Niob kann so stark sein, dass sie einen mechanischen Träger bildet, oder sie kann aus einer dünnen Schicht auf einer Grundlage eines verträglichen Metalles, wie z. B. Kupfer, bestehen. 



    PATENTANSPRÜCHE :    
1. Verfahren zur Herstellung eines Gegenstandes, der zumindest auf einem Teil seiner Oberfläche eine ununterbrochene Schicht aus   NbgSn aufweist, dadurch gekennzeichnet,   dass man ein zusammengesetztes Gebilde aufbaut, das eine Trägerschicht aus Niob, eine Zwischenschicht aus Zinn oder aus einer Mischung aus Niob und Zinn in Pulverform, und eine Deckschicht aus Niob in Pulverform, umfasst, wobei die Menge an Zinn grösser ist als die Gesamtmenge des in der Zwischenschicht und den Deckschichten vorhandenen Niob, dass man das zusammengesetzte Gebilde zur Herstellung eines duktilen Überzuges aus einer Zinn-reichen Nioblegierung durch Reaktion zwischen der Zwischenschicht und den Deckschichten in einer nichtoxydierenden Atmosphäre auf eine Temperatur zwischen 700 und 11500C erwärmt,

   dass man das abgekühlte Gebilde zu dem gewünschten Gegenstand kaltbearbeitet und fertigtund dass man den Gegenstand in einer nichtoxydierenden Atmosphäre auf eine Temperatur zwischen 650 und 11500C erhitzt.

Claims (1)

1. 2. Verfahren nach Anspruch l, dadurch gekennzeichnet, dass man die Niob-Trägerschicht mit einer Schicht aus einem andern, sich mit Niob leicht verbindenden Metall, wie z. B. Kupfer, unterlegt.

   3. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass man die Zinnzwischenschicht und die Niobdeckschicht auf die Trägerschicht mittels Elektrophorese niederschlägt. EMI3.1 pension von Zinnpulver in einem durch Rühren in Bewegung gehaltenen Flüssigkeitsgemisch aus gleichen Teilen Nitromethan und Isopropylalkohol, das 2% Zein und 0,03 g Aluminiumnitrat pro 100 cm3 enthält, und das Niob aus einer Suspension von Niobpulver in einem durch Rühren in Bewegung gehaltenen Flüssigkeitsgemisch aus gleichen Teilen Nitromethan und Isopropylalkohol, das 21a Zein und 0,01 g Aluminiumnitrat pro 100 cm3 enthält,

   niederschlägt. EMI3.2 gebilde in Form einer Walzplatte vorliegt und die Kaltbearbeitung durch Kaltwalzen erfolgt.

   7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass man die zweite Wärmebehandlung zwischen 650 und 1050 C durchführt.

   8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass man die zweite Wärmebehandlung zwischen 730 und 1050 C durchführt.