CN109961901A - 一种多芯高锡青铜/Nb复合棒的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多芯高锡青铜/Nb复合棒的制备方法,将青铜六方管按六方密排的方式装入青铜壳管中,将青铜圆棒插入边部空隙,将Nb或Nb合金棒插入六方管中,在其两端加上铜盖并用电子束封焊,得到多芯青铜/Nb包套;将多芯青铜/Nb包套进行挤压,得到多芯青铜/Nb挤压棒;对多芯青铜/Nb挤压棒进行多次拉拔和中间退火,最终获得可以用于制备青铜法Nb3Sn线材的多芯青铜/Nb复合棒。本发明采用组织均匀的高锡青铜管和棒,且Nb棒的分布更均匀,减少了加工中开裂的可能,芯丝变形更好,采用电阻炉退火,时间短、效率高,减少了预反应生成的Nb3Sn相的量,采用该方法得到的青铜/Nb复合棒用于青铜法Nb3Sn线材的制备,将获得更高的性能。

Description

一种多芯高锡青铜/Nb复合棒的制备方法
技术领域
本发明属于超导材料加工领域,特别涉及一种可青铜法Nb3Sn超导线用多芯高锡青铜/Nb复合棒的制备方法。
背景技术
超导磁体能产生高的磁场强度,在核聚变设备、加速器、能量储存设备、物理性质研究等中广泛使用,青铜法Nb3Sn超导线材是制作超导磁体的主要材料之一。青铜法Nb3Sn线材的制备一般为两次复合:第一次将Nb或Nb合金棒插入青铜基体中,加工后得到青铜/Nb复合棒;第二次将青铜/Nb复合棒插入到含有阻隔层材料的无氧铜包套中,加工后得到青铜法Nb3Sn线材。青铜法Nb3Sn线材中由青铜中的Sn扩散与Nb反应生产具有超导性的Nb3Sn相,为了获得更高性能的Nb3Sn线材,通常会使用Sn的质量含量大于13.5%的高锡青铜。目前制备多芯青铜/Nb复合棒的工艺多采用钻孔法,即在高锡青铜棒上钻多个通孔,然后将Nb或Nb合金棒插入孔中,通过加工得到。然而钻孔用的高锡青铜棒直径一般为120mm以上,采用熔炼直接得到,其组织为不均匀的铸态组织,且一般采用圆形分布的钻孔方式,Nb芯丝间的间距不一致,由于组织不均匀和Nb芯丝分布不均匀会在加工中产生应力分布不均匀,从而发生纵向开裂现象,导致废品率高、生产成本高,Nb芯丝的分布不均匀还会导致芯丝变形不好,影响线材性能。因此找到一种芯丝分布均匀,加工过程中不易开裂的高锡青铜/Nb复合棒的制备方法,可以有效的降低成本,提高线材性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多芯高锡青铜/Nb复合棒的制备方法,所制备的复合棒的中Nb的分布更均匀,减少了加工中开裂的可能,芯丝变形更好,制备时间短、效率高,产品性能更高。
为达到上述目的,本发明采用的制备方法包括以下步骤:
步骤1:对高锡青铜壳管、高锡青铜六方管、高锡青铜圆棒、Nb或Nb合金棒进行清洗;
步骤2:将若干根高锡青铜六方管、高锡青铜圆棒装入高锡青铜壳管中,在每根高锡青铜六方管中插入Nb或Nb合金棒,在高锡青铜壳管两端加上铜盖并用电子束封焊,得到多芯青铜/Nb包套;
步骤3:将步骤2得到的多芯青铜/Nb包套加热并保温后进行挤压,得到多芯青铜/Nb挤压棒;
步骤4:将步骤3得到的多芯青铜/Nb挤压棒进行多次拉拔,然后进行中间退火,获得用于制备青铜法Nb3Sn线材的多芯高锡青铜/Nb复合棒。
所述步骤1采用的高锡青铜壳管、高锡青铜六方管、高锡青铜圆棒中Sn的质量百分比为13.5%~16.0%,Ti的质量百分比为0.2%~0.4%。
所述步骤1采用的高锡青铜壳管的外径为Φ115mm~Φ185mm,壁厚为4mm~12mm,长度为300mm~600m;高锡青铜六方管的数量为19支或37支,对边宽度为15mm~35mm,长度为300mm~600m;高锡青铜圆棒的尺寸为Φ3mm~Φ15mm,长度为300mm~600m。
所述步骤1采用的Nb合金棒为Ti的质量百分比为0.5%~2.0%的Nb-Ti棒或Ta的质量百分比为0.5%~2.0%的Nb-Ta棒。
所述步骤1的清洗首先采用金属清洁剂去除表面油污,然后用体积浓度为25%~40%的硝酸溶液清洁青铜物料;
Nb或Nb合金棒采用硝酸、氢氟酸和水的混合溶液清洁,混合溶液中各组分的体积浓度为:硝酸25~35%,氢氟酸15~25%,余量为水。
所述步骤2多芯青铜/Nb包套中高锡青铜与Nb或Nb合金棒的截面积比为2.0~3.0:1。
所述步骤2电子束封焊的电流为30~100mA,真空度小于10-2Pa。
所述步骤3多芯青铜/Nb包套预热温度为550℃~670℃,保温时间为2h~4h,挤压比为8~15:1。
所述步骤4的拉拔为每次拉拔的加工率为12%~25%,拉拔速度为5m/min~20m/min,拉拔的总加工率不超过50%进行中间退火。
所述步骤4的中间退火采用电阻炉进行中间退火,退火温度为400℃~550℃,保温时间为1h~3h,保温结束后物料出炉水淬。
本发明所制备的多芯高锡青铜/Nb复合棒使用微观组织均匀的高锡青铜六方管、Nb或Nb合金芯丝分布均匀、采用大气退火加工,解决了高锡青铜/Nb复合棒Nb芯丝分布不均匀、加工中开裂、真空退火效率低的问题。使芯丝变形更好。
采用电阻炉退火,时间短、效率高,减少了预反应生成的Nb3Sn相的量,采用该方法得到的青铜/Nb复合棒用于青铜法Nb3Sn线材的制备,将获得更高的性能。
附图说明
图1是本发明多芯高锡青铜/Nb复合包套的示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。
本发明的制备方法包括以下步骤:
步骤1:对外径为Φ115mm~Φ185mm、壁厚为4mm~25mm、长度为300mm~600m高锡青铜壳管,19支或37支对边宽度为15mm~35mm、内孔直径为对边宽度的0.5~0.85倍,长度为300mm~600m的高锡青铜六方管,直径为Φ3mm~Φ15mm、长度为300mm~600m高锡青铜圆棒,其中,高锡青铜壳管、高锡青铜六方管、高锡青铜圆棒中Sn的质量百分比为13.5%~16.0%,Ti的质量百分比为0.2%~0.4%,采用金属清洁剂去除表面油污,然后用体积浓度为25%~40%的硝酸溶液清洁青铜物料;取Nb棒、Ti的质量百分比为0.5%~2.0%的Nb-Ti合金棒或Ta的质量百分比为0.5%~2.0%的Nb-Ta合金棒用硝酸25~35%、氢氟酸15~25%、余量为水的混合溶液清洁Nb或Nb合金棒;
步骤2:将若干根高锡青铜六方管按六方密排的方式装入高锡青铜壳管中,将青铜圆棒插入边部空隙,将Nb或Nb合金棒插入六方管中,如图1所示,在其两端加上铜盖封焊,焊接过程在小于10-2Pa的真空下进行,焊接电流为30~100mA,得到多芯青铜/Nb包套;
步骤3:将多芯青铜/Nb包套在550℃~670℃下保温2h~4h后挤压获得多芯青铜/Nb复合棒,挤压比控制为8~15:1;
步骤4:将挤压得到的复合棒采用12%~25%的加工率进行拉拔,拉拔速度为5m/min~20m/min,拉拔的总加工率不超过50%进行中间退火,中间退火采用电阻炉进行,退火温度为400℃~550℃,保温时间为1h~3h,保温结束后物料出炉水淬,获得用于制备青铜法Nb3Sn线材的多芯高锡青铜/Nb复合棒。
实施例1:
步骤1:对外径为Φ120mm、壁厚为8mm、长度为350m高锡青铜壳管1,19支对边宽度为20.7mm、内孔直径为Φ16.5mm,长度为350m的高锡青铜六方管3,直径为Φ8.5mm、长度为350m高锡青铜圆棒2,其中,高锡青铜壳管、高锡青铜六方管、高锡青铜圆棒中Sn的质量百分比为14.5%,Ti的质量百分比为0.25%,采用金属清洁剂去除表面油污,然后用体积浓度为30%的硝酸溶液清洁青铜物料;取直径为Φ16.4mm,长度为350m的Nb棒用硝酸20%、氢氟酸20%、余量为水的混合溶液清洁;
步骤2:将若干根高锡青铜六方管3按六方密排的方式装入高锡青铜壳管1中,将高锡青铜圆棒2插入边部空隙,将Nb棒4插入六方管中,如图1所示,在其两端加上铜盖封焊,焊接过程的真空度为5.0×10-3Pa,焊接电流为35mA,得到多芯青铜/Nb包套;
步骤3:将多芯青铜/Nb包套在620℃下保温2h后挤压获得直径为Φ40mm的多芯青铜/Nb复合棒;
步骤4:将挤压得到的复合棒采用18%的加工率进行拉拔,拉拔速度为10m/min,拉拔3次后采用电阻炉进行中间退火,退火温度为450℃,保温时间为1h,保温结束后物料出炉水淬,获得用于制备青铜法Nb3Sn线材的多芯高锡青铜/Nb复合棒。
在组装时Nb芯丝采用密排六方分布,因此在青铜/Nb复合棒中每个Nb芯丝之间的间距均相等,Nb芯丝形成网状结构,因此在变形过程中所受到的力也相同,最终复合棒中芯丝变形更均匀。采用该方法制备的直径为0.82mm的青铜法Nb3Sn复合线在12T、4.2K下,临界电流密度能达到1000A/mm2以上。
实施例2:
步骤1:对外径为Φ150mm、壁厚为15mm、长度为450m高锡青铜壳管1,37支对边宽度为17.1mm、内孔直径为Φ12.1mm,长度为450m的高锡青铜六方管3,直径为Φ7.5mm、长度为450m高锡青铜圆棒2,其中,高锡青铜壳管、高锡青铜六方管、高锡青铜圆棒中Sn的质量百分比为15%,Ti的质量百分比为0.3%,采用金属清洁剂去除表面油污,然后用体积浓度为30%的硝酸溶液清洁青铜物料;取直径为Φ12mm,长度为450m的Nb棒用硝酸20%、氢氟酸20%、余量为水的混合溶液清洁;
步骤2:将若干根高锡青铜六方管3按六方密排的方式装入高锡青铜壳管1中,将高锡青铜圆棒2插入边部空隙,将Nb或Nb合金棒4插入六方管中,如图1所示,在其两端加上铜盖封焊,焊接过程的真空度为6.0×10-3Pa,焊接电流为50mA,得到多芯青铜/Nb包套;
步骤3:将多芯青铜/Nb包套在650℃下保温3h后挤压获得直径为Φ45mm的多芯青铜/Nb复合棒;
步骤4:将挤压得到的复合棒采用18%的加工率进行拉拔,拉拔速度为10m/min,拉拔3次后采用电阻炉进行不间退火,退火温度为475℃,保温时间为2h,保温结束后物料出炉水淬,获得用于制备青铜法Nb3Sn线材的多芯高锡青铜/Nb复合棒。
在组装时Nb芯丝采用密排六方分布,因此在青铜/Nb复合棒中每个Nb芯丝之间的间距均相等,Nb芯丝形成网状结构,因此在变形过程中所受到的力也相同,最终复合棒中芯丝变形更均匀。采用该方法制备的直径为0.82mm的青铜法Nb3Sn复合线在12T、4.2K下,临界电流密度能达到1000A/mm2以上。
实施例3:
步骤1:对外径为Φ115mm、壁厚为4mm、长度为300m高锡青铜壳管1,19支对边宽度为15mm、内孔直径为Φ10.1mm,长度为300m的高锡青铜六方管3,直径为Φ3mm、长度为300m高锡青铜圆棒2,其中,高锡青铜壳管、高锡青铜六方管、高锡青铜圆棒中Sn的质量百分比为16%,Ti的质量百分比为0.2%,采用金属清洁剂去除表面油污,然后用体积浓度为25%的硝酸溶液清洁青铜物料;取直径为Φ10mm,长度为300m的Ti的质量百分比为1.0%的Nb-Ti合金棒用硝酸25%、氢氟酸25%、余量为水的混合溶液清洁;
步骤2:将若干根高锡青铜六方管3按六方密排的方式装入高锡青铜壳管1中,将高锡青铜圆棒2插入边部空隙,将Nb-Ti合金棒4插入六方管中,如图1所示,在其两端加上铜盖封焊,焊接过程的真空度为2.0×10-3Pa,焊接电流为100mA,得到多芯青铜/Nb包套;
步骤3:将多芯青铜/Nb包套在550℃下保温4h后挤压获得直径为Φ35mm的多芯青铜/Nb复合棒;
步骤4:将挤压得到的复合棒采用12%的加工率进行拉拔,拉拔速度为5m/min,拉拔4次后采用电阻炉进行不间退火,退火温度为550℃,保温时间为1h,保温结束后物料出炉水淬,获得用于制备青铜法Nb3Sn线材的多芯高锡青铜/Nb复合棒。
实施例4:
步骤1:对外径为Φ185mm、壁厚为25mm、长度为600m高锡青铜壳管1,37支对边宽度为35mm、内孔直径为Φ32.5mm,长度为600m的高锡青铜六方管3,直径为Φ15mm、长度为600m高锡青铜圆棒2,其中,高锡青铜壳管、高锡青铜六方管、高锡青铜圆棒中Sn的质量百分比为13.5%,Ti的质量百分比为0.4%,采用金属清洁剂去除表面油污,然后用体积浓度为40%的硝酸溶液清洁青铜物料;取直径为Φ32.4mm,长度为600m的Ta的质量百分比为1.0的Nb-Ta合金棒4用硝酸35%、氢氟酸15%、余量为水的混合溶液清洁;
步骤2:将若干根高锡青铜六方管3按六方密排的方式装入高锡青铜壳管1中,将高锡青铜圆棒2插入边部空隙,将Nb-Ta合金棒4插入六方管中,如图1所示,在其两端加上铜盖封焊,焊接过程的真空度为3.0×10-3Pa、,焊接电流为30mA,得到多芯青铜/Nb包套;
步骤3:将多芯青铜/Nb包套在670℃下保温2h后挤压获得直径为Φ50mm的多芯青铜/Nb复合棒;
步骤4:将挤压得到的复合棒采用25%的加工率进行拉拔,拉拔速度为20m/min,拉拔2次后采用电阻炉进行不间退火,退火温度为400℃,保温时间为3h,保温结束后物料出炉水淬,获得用于制备青铜法Nb3Sn线材的多芯高锡青铜/Nb复合棒。

Claims (10)

1.一种多芯高锡青铜/Nb复合棒的制备方法,其特征在于包括以下步骤:
步骤1:对高锡青铜壳管、高锡青铜六方管、高锡青铜圆棒、Nb或Nb合金棒进行清洗;
步骤2:将若干根高锡青铜六方管、高锡青铜圆棒装入高锡青铜壳管中,在每根高锡青铜六方管中插入Nb或Nb合金棒,在高锡青铜壳管两端加上铜盖并用电子束封焊,得到多芯青铜/Nb包套;
步骤3:将步骤2得到的多芯青铜/Nb包套加热并保温后进行挤压,得到多芯青铜/Nb挤压棒;
步骤4:将步骤3得到的多芯青铜/Nb挤压棒进行多次拉拔,然后进行中间退火,获得用于制备青铜法Nb3Sn线材的多芯高锡青铜/Nb复合棒。
2.根据权利要求1所述的多芯高锡青铜/Nb复合棒的制备方法,其特征在于:所述步骤1采用的高锡青铜壳管、高锡青铜六方管、高锡青铜圆棒中Sn的质量百分比为13.5%~16.0%,Ti的质量百分比为0.2%~0.4%。
3.根据权利要求1所述的多芯高锡青铜/Nb复合棒的制备方法,其特征在于:所述步骤1采用的高锡青铜壳管的外径为Φ115mm~Φ185mm,壁厚为4mm~12mm,长度为300mm~600m;高锡青铜六方管的数量为19支或37支,对边宽度为15mm~35mm,长度为300mm~600m;高锡青铜圆棒的尺寸为Φ3mm~Φ15mm,长度为300mm~600m。
4.根据权利要求1所述的多芯高锡青铜/Nb复合棒的制备方法,其特征在于:所述步骤1采用的Nb合金棒为Ti的质量百分比为0.5%~2.0%的Nb-Ti棒或Ta的质量百分比为0.5%~2.0%的Nb-Ta棒。
5.根据权利要求1所述的多芯高锡青铜/Nb复合棒的制备方法,其特征在于:所述步骤1的清洗首先采用金属清洁剂去除表面油污,然后用体积浓度为25%~40%的硝酸溶液清洁青铜物料;
Nb或Nb合金棒采用硝酸、氢氟酸和水的混合溶液清洁,混合溶液中各组分的体积浓度为:硝酸25~35%,氢氟酸15~25%,余量为水。
6.根据权利要求1所述的多芯高锡青铜/Nb复合棒的制备方法,其特征在于:所述步骤2多芯青铜/Nb包套中高锡青铜与Nb或Nb合金棒的截面积比为2.0~3.0:1。
7.根据权利要求1所述的多芯高锡青铜/Nb复合棒的制备方法,其特征在于:所述步骤2电子束封焊的电流为30~100mA,真空度小于10-2Pa。
8.根据权利要求1所述的多芯高锡青铜/Nb复合棒的制备方法,其特征在于:所述步骤3多芯青铜/Nb包套预热温度为550℃~670℃,保温时间为2h~4h,挤压比为8~15:1。
9.根据权利要求1所述的多芯高锡青铜/Nb复合棒的制备方法,其特征在于:所述步骤4的拉拔为每次拉拔的加工率为12%~25%,拉拔速度为5m/min~20m/min,拉拔的总加工率不超过50%进行中间退火。
10.根据权利要求1所述的多芯高锡青铜/Nb复合棒的制备方法,其特征在于:所述步骤4的中间退火采用电阻炉进行中间退火,退火温度为400℃~550℃,保温时间为1h~3h,保温结束后物料出炉水淬。
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