DE10117227B4

DE10117227B4 - Verfahren zur Herstellung von extrafeinem mehrfädigen Nb3Al-Supraleitungsdraht

Info

Publication number: DE10117227B4
Application number: DE10117227A
Authority: DE
Inventors: Akihiro Tsukuba Kikuchi; Yasuo Tsukuba Iijima; Kiyoshi Tsukuba Inoue
Original assignee: National Institute for Materials Science
Current assignee: National Institute for Materials Science
Priority date: 2000-04-06
Filing date: 2001-04-06
Publication date: 2004-04-15
Anticipated expiration: 2021-04-07
Also published as: JP2001291447A; DE10117227A1; JP3588628B2; US6508889B2; US20020037816A1

Abstract

Verfahren für die Herstellung eines extrafeinen mehrfädigen Nb₃Al-Supraleitungsdrahtes, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt: Anwendung einer ersten Schnellerhitzungs- und Löschungsbehandlung auf eine Nb/Al-Verbunddraht mit Atomverhältnis von Al zu Nb von 1:2,5 bis 1:3,5 und mit einer extrafeinen mehrfädigen Struktur, um eine BCC-Legierungsphase zu bilden, die Nb mit darin übersättigt gelöstem Al aufweist, wobei die erste Behandlung das Erhitzen des Verbunddrahtes auf eine Temperatur von nicht unter 1900°C innerhalb von zwei Sekunden und dann dessen Einführung in ein Flüssigmetall bei einer Temperatur von nicht über 400 °C umfaßt, um ihn schnell zu löschen, Anwendung einer zweiten Schnellerhitzungs- und Löschungsbehandlung, um eine A15-phasige Nb₃Al-Verbindung mit einem niedrigen Kristallisationsordnungsgrad aber einer etwa stöchiometrischen Zusammensetzung zu bilden, wobei die zweite Behandlung das Erhitzen des Drahtes auf eine Temperatur von nicht unter 1500°C innerhalb von zwei Sekunden und dann dessen Einführung in ein Flüssigmetall bei einer Temperatur von nicht über 400°C umfaßt, und nach...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren für die Herstellung von extrafeinem mehrfädigen Nb₃Al-Supraleitungsdraht. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren für die Herstellung von extrafeinem mehrfädigen Nb₃Al-Supraleitungsdraht, mit dem einfach und kostengünstig hochleistungsfähiger extrafeiner mehrfädiger Nb₃Al-Supraleitungsdraht mit drei erheblich verbesserten kritischen Werten – Tc, Hc₂ und Jc – ohne die Zugabe von dritten Elementen, wie Ge, Si und Cu, hergestellt werden kann, wobei das Verfahren als eine praktische Anwendungstechnologie vielversprechend ist.

Aus der DE 1 458 558 B ist ein Verfahren zur Verbesserung der Supraleitungseigenschaften von supraleitenden intermetallischen Verbindungen von AB₃-Typ bekannt. Hier wird zur Verbesserung der Supraleitungseigenschaften eines Drahtes aus einer Nb-Al-Verbindung mit einem Atomverhältnis Al zu Nb von < 1:3 eine kurze Wärmebehaltung von 15 bis 30 Minuten bei einer Temperatur von mindestens 70% der Schmelz- oder Zersetzungstemperatur der Verbindung durchgeführt.

Es wurde ein Verfahren zur Herstellung von extrafeinem mehrfädigen Nb₃Al-Draht vorgeschlagen, bei dem eine Schnellerhitzungs- und Löschungsbehandlung auf einen Verbunddraht aus Nb und Al angewendet wurde, um eine übersättigte feste BCC-Legierungslösungsphase aus Nb und 25 at% Al zu bilden, und dann wird eine zusätzliche Hitzebehandlung bei 700 bis 900°C durchgeführt, um die übersättigte feste BCC-Nb-Al-Legierungslösungsphase in eine A15-Nb₃Al-Phase zu überführen.

Die durch dieses Verfahren hergestellten extrafeinen mehrfädigen Nb₃Al-Drähte weisen drei kritische Werte auf, Tc, Hc₂ und Jc, die höher sind als die von Nb₃Al-Drähten aus üblichen Diffusionsverfahren und sind daher vielversprechend als zukünftig in der Praxis angewandte Drähte für starke Magnetfelder. Obwohl das maximal durch supraleitende Magnete unter Verwendung von üblichen supraleitenden Metalldrähten erzeugte Magnetfeld 21,7 T beträgt, wird erwartet, daß durch die Verwendung der vorstehend erwähnten extrafeinen mehrfädigen Nb₃Al-Drähte die Obergrenze für erzeugte Magnetfelder in Höhe von 21 T bei 4,2K und 24 T bei 1,8K erreicht wird.

Andererseits ist die Verbesserung der Leistungen von extrafeinem mehrfädigen Nb₃Al-Drähten in der Erforschung.

Es wurde z.B. herausgefunden, daß die Zugabe von Ge oder Si zu Nb₃Al zu einer direkten Bildung einer A15-Phase nach einer Schnellerhitzungs- und Löschungsbehandlung führt, wobei Tc und Hc₂ erheblich erhöht sind.

In diesem Fall wurde jedoch herausgestellt, daß auch eine große Menge von Verunreinigungen gebildet werden, Jc nicht so hoch wird und die Zugabe von Ge und Si die Verarbeitbarkeit von Nb/Al-Drähten erheblich reduziert. Die Herstellung von Drähten mit großer Länge erfordert weitere Forschung.

Andererseits wurde auch herausgefunden, daß die Zugabe von Cu zu der direkten Bildung der A15-Phase nach einer Schnellerhitzungs- und Löschungsbehandlung führt, wobei die Eigenschaften verbessert werden. Tc erreicht 18,2 T und Hc₂ erreicht etwa 29 T. Darüber hinaus weist Jc in starken Magnetfeldern ebenfalls einen hohen Wert auf.

Für praktische Anwendungen dieser Technologie gibt es jedoch Probleme hinsichtlich der Verarbeitbarkeit oder dergleichen.

Die Erfindung gemäß dieser Anmeldung wurde im Lichte derartiger Umstände geschaffen und zielt darauf hin, ein Verfahren für die Herstellung eines extrafeinen mehrfädigen Nb₃Al-Supraleitungsdrahtes zur Verfügung zu stellen, mit dem einfach und kostengünstig ein hochleistungsfähiger extrafeiner mehrfädiger Nb₃Al-Supraleitungsdraht mit drei erheblich verbesserten kritischen Werten – Tc, Hc₂ und Jc – ohne die Zugabe von dritten Elementen, wie Ge, Si und Cu, hergestellt werden kann, wobei das Verfahren als eine praktische Anwendungstechnologie vielversprechend ist.

Um die vorstehenden Probleme zu lösen, stellt die Erfindung gemäß dieser Anmeldung in einem ersten Aspekt ein Verfahren für die Herstellung eines extrafeinen mehrfädigen Nb₃Al-Supraleitungsdrahtes zur Verfügung, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Anwendung einer ersten Schnellerhitzungs- und Löschungsbehandlung auf einen Nb/Al-Verbunddraht mit einem Atomverhältnis von Al zu Nb von 1:2,5 bis 1:3,5 und einer extrafeinen mehrfädigen Struktur, um eine BCC-Legierungsphase zu bilden, die Nb mit darin übersättigt gelöstem Al aufweist, wobei die erste Behandlung das Erhitzen des Verbunddrahtes bis zu einer Temperatur von nicht unter 1.900°C innerhalb von zwei Sekunden und dann dessen Einführung in ein Flüssigmetall bei einer Temperatur von nicht über 400°C, um ihn schnell zu löschen, umfaßt, Anwendung einer zweiten Schnellerhitzungs- und Löschungsbehandlung, um eine A15-phasige Nb₃Al-Verbindung mit einem niedrigen Kristallisationsordnungsgrad aber mit einer Zusammensetzung nahe der stöchiometrischen Zusammensetzung zu bilden, wobei die zweite Behandlung das Erhitzen des Drahtes bis zu einer Temperatur von nicht unter 1.500°C innerhalb von zwei Sekunden und dann dessen Einführung in ein Flüssigmetall bei einer Temperatur von nicht über 400°C umfaßt, und Anwendung einer zusätzlichen Hitzebehandlung bei 600 bis 850°C bei dem Verbunddraht nach der zweiten Schnellerhitzungs- und Löschungsbehandlung, um den Kristallisationsordnungsgrad der A15-phasigen Nb₃Al-Verbindung zu verbessern bzw. zu erhöhen.

Die Erfindung gemäß dieser Anmeldung stellt in einem zweiten Aspekt auch das Verfahren zur Verfügung, das ferner einen Schritt umfaßt, der vor oder nach der zusätzlichen Hitzebehandlung durchgeführt wird, bei dem der Verbunddraht mit Cu beschichtet wird. Die Erfindung stellt in einem dritten Aspekt eines der Verfahren zur Verfügung, das ferner einen Schritt umfaßt, der vor der ersten Schnellerhitzungs- und Löschungsbehandlung durchgeführt wird, bei dem Cu oder Ag zur Stabilisierung zugefügt wird, in einem Stadium, in dem eine Diffusionsbarriere eingeführt wird. Die Erfindung stellt in einem vierten Aspekt auch eines der Verfahren zur Verfügung, das ferner einen Schritt umfaßt, der zwischen der ersten Schnellerhitzungs- und Löschungsbehandlung und der zweiten Schnellerhitzungs- und Löschungsbehandlung durchgeführt wird, bei dem eine Kaltbearbeitung unter Reduktion bzw. Verringerung der Fläche von 70% oder weniger durchgeführt wird.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

1 zeigt ein schematisches Diagramm, das die Merkmale des Verfahrens (b) gemäß der vorliegenden Erfindung gegenüber einem üblichen Verfahren (a) darstellt.

2 zeigt ein schematisches Diagramm, das ein Beispiel für eine elektrische Vorrichtung zur Schnellerhitzung und Löschung darstellt.

3 zeigt ein Diagramm, das eine Übergangskurve des Supraleitungswiderstands darstellt und die Tc der Probe (a), die nach dem üblichen einstufigen Erhitzungs- und Löschungsverfahren hergestellt wurde, mit der Tc der Probe (b), die nach dem neuen einstufigen Schnellerhitzungs- und Löschungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, vergleicht.

4 zeigt ein Diagramm, das eine Jc-B-Supraleitungskurve bei 4,2 K von vier extrafeinen mehrfädigen Supraleitungsdrähten darstellt: konventioneller Nb₃Al-Draht (nach einem einstufigen Schnellerhitzungs- und Löschungsverfahren hergestellt), neuer Nb₃Al-Draht (nach einem zweistufigen Schnellerhitzungs- und Löschungsverfahren hergestellt), mit Ti versetzter Nb₃Sn-Draht (nach einem Bronzeverfahren hergestellt) und Nb-Ti-Draht.

5 zeigt ein Diagramm, das die Wirkung einer Zwischenbearbeitung zeigt, die durch die Änderung einer Jc-B-Supraleitungskurve für konventionellen Nb₃Al-Draht (nach einem einstufigen Schnellerhitzungs- und Löschungsverfahren hergestellt) und neuen Nb₃Al-Draht (nach einem zweistufigen Schnellerhitzungs- und Löschungsverfahren hergestellt) dargestellt ist.

Die vorliegende Erfindung weist die vorstehend erwähnten Merkmale auf und ihre Ausführungsformen sind nachstehend beschrieben.
Die Erfindung gemäß dieser Anmeldung ist im wesentlichen als ein Verfahren zur Herstellung eines extrafeinen mehrfädigen Nb₃Al-Supraleitungsdrahtes gekennzeichnet, bei dem die folgenden thermischen Behandlungen bei einem Nb/Al-Verbunddraht ohne die übliche Zugabe von dritten Elementen, wie Ge, Si und Cu, angewendet werden, um die kritischen Werte Tc, Hc₂ und Jc zu verbessern und dadurch auf einfache Weise einen hochleistungsfähigen Nb₃Al-Supraleitungsdraht herzustellen.
(I) Erhitzen eines Verbunddrahtes bis zu einer Temperatur von nicht unter 1.900°C innerhalb von zwei Sekunden und dann dessen Einführung in ein Flüssigmetall bei einer Temperatur von nicht über 400°C, wobei eine BCC-Legierungsphase gebildet wird, die Nb mit darin übersättigt gelöstem Al aufweist (erste Schnellerhitzungs- und Löschungsbehandlung).
(II) Erhitzen eines Verbunddrahtes auf eine Temperatur von nicht unter 1.500°C innerhalb von zwei Sekunden und dann dessen Einführung in ein Flüssigmetall bei einer Temperatur von nicht über 400°C, wobei eine A15-phasige Nb₃Al-Verbindung mit einem niedrigen Kristallisationsordnungsgrad aber mit einer etwa stöchiometrischen Zusammensetzung gebildet wird (zweite Schnellerhitzungs- und Löschungsbehandlung).
(III) Durchführen einer zusätzlichen Hitzebehandlung bei einer Temperatur von 600 bis 850°C, wodurch der Kristallisationsordnungsgrad der A15-phasigen Nb₃Al-Verbindung mit einer Zusammensetzung nahe der stöchiometrischen Zusammen setzung verbessert bzw. erhöht wird (zusätzliche Hitzebehandlung).
Der Nb/Al-Verbunddraht, der der Gegenstand der Hitzebehandlungen ist, ist ein Verbunddraht, der ein Atomverhältnis von Al zu Nb im Bereich von 1:2,5 bis 1:3,5 aufweist. Er hat vorzugsweise einen mittleren Durchmesser von 2 mm oder weniger oder eine mittlere Dicke von 2 mm oder weniger, falls der Nb/Al-Verbunddraht bandförmig ist. Darüber hinaus weist er auch eine extrafeine mehrfädige Struktur auf, wobei eine große Anzahl von Mikroverbundaderdrähten mit einem mittleren Durchmesser von 200 μm oder weniger, vorzugsweise 80 μm oder weniger, in einem Matrixmaterial eingebettet sind, das eine Legierung auf Basis von Nb, Ta, Nb oder eine Legierung auf Basis von Ta aufweist. Die Definition von "eine große Anzahl" bedeutet mehrere Dutzend bis mehrere Millionen. Als ein derartiger Nb/Al-Verbunddraht werden extrafeine mehrfädig strukturierte Verbunddrähte verwendet, die durch verschiedene allgemein bekannte Verbundverarbeitungsverfahren hergestellt sind, wie das Stab-im-Rohr-Verfahren, das Gelier-Roll-Verfahren, das Plattierungs-Schnitzelungs-Extrusionsverfahren und das metallurgische Pulververfahren.
Wenn das Atomverhältnis von Al zu Nb außerhalb des Bereiches von 1:2,5 bis 1:3,5 liegt, ist es schwierig, Nb₃Al-Supraleitungsdrähte mit guter Leistung zu erhalten. Nb/Al-Verbundvorläuferdrähte, die ähnlich dem handelsüblichen Stand sind, sind für derartige Nb/Al-Verbunddrähte erhältlich.
Zum Beispiel stellt 1 den Unterschied zwischen dem erfindungsgemäßen Verfahren gemäß dieser Anmeldung und dem üblichen Schnellerhitzungs- und Löschungsverfahren dar. Wie vorstehend beschrieben ist, unterscheidet sich das Schnel lerhitzungs- und Löschungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung im wesentlichen von dem konventionellen Verfahren in der Tatsache, daß durch die zweite Schnellerhitzungsund Löschungsbehandlung eine A15-Nb₃Al-Phase mit einem niedrigen Kristallisiationsordnungsgrad, aber mit etwa stöchiometrischer Zusammensetzung gebildet wird und dann wird durch die zusätzlichen Hitzebehandlung ein höherer Kristallisiationsordnungsgrad erhalten.
Das erfindungsgemäße Verfahren gemäß dieser Anmeldung kann durch Verwendung einer elektrischen Heizvorrichtung, wie sie beispielsweise in 2 dargestellt ist, ausführt werden. In dem in 2 dargestellten Beispiel wird ein Nb/Al-Verbunddraht, der als Draht von einer Zuführrolle zugeführt wird, elektrisch erhitzt und dann schnell in einem Flüssig-Ga-(Gallium)-Bad gelöscht. Das Schmelzbad ist nicht auf das aus Ga beschränkt und kann ein beliebiges sein, das inert ist und das bei 400°C oder niedriger gehalten werden kann.
Bei der Erfindung gemäß der vorliegenden Anmeldung wird zuerst die erste Schnellerhitzungs- und Löschungsbehandlung unter Verwendung der in 2 dargestellten Vorrichtung ausgeführt. D.h. ein Verbunddraht wird durch elektrisches Erhitzen schnell auf eine hohe Temperatur von 1.900°C oder höher aufgeheizt und nachfolgend einer Schnelllöschungsbehandlung durch dessen kontinuierliche Einführung in ein Flüssigmetall unterzogen, das bei einer Temperatur von 400°C oder niedriger, z.B. fast bei Raumtemperatur, gehalten wird. Eine derartige Schnellerhitzungs- und Löschungsbehandlung führt zu der Bildung einer BCC-Phase, die Nb mit darin übersättigt gelöstem Al aufweist. Dann wird die BCC-Phase wie üblich einer zusätzlichen Hitzebehandlung bei etwa 800°C unterzogen, um sie in eine A15-Nb₃Al-Phase zu überführen, wodurch sich eine hohe Jc ergibt. Zu diesem Zeitpunkt betragen Tc und Hc₂ etwa 17, 8 T bzw. etwa 26 T. Wie vorstehend beschrieben ist, liegt die A15-Nb₃Al-Phase, die durch die zusätzliche Hitzebehandlung über eine übersättigte feste BCC-Lösungsphase gemäß dem konventionellen Schnellerhitzungs- und Lösungsverfahren gebildet wird, näher am Zusammensetzungsverhältnis als die A15-Phase, die durch das Diffusionsverfahren bei 700 bis 800°C gebildet wird. Jedoch sind Tc und Hc₂ aufgrund einer Abweichung der Zusammensetzung zu einer Zusammensetzung, die etwas reicher an Nb ist, etwas niedrig. Es scheint, daß auch wenn das Atomverhältnis von Nb zu Al in der nach der Schnellerhitzungs- und Löschungsbehandlung gebildeten übersättigten festen BCC-Lösungsphase bei 3:1 aufrechterhalten wird, die Abweichung der Zusammensetzung während der Transformation bzw. Umwandlung in die A15-Nb₃Al-Phase auftritt, da die Umwandlung bei 700–900 °C durchgeführt wird.
Anders als bei dem konventionellen Verfahren wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren gemäß dieser Anmeldung die Transformation von der übersättigten festen BCC-Lösungsphase in die A15-Phase innerhalb von 2 Sekunden bei einer hohen Temperatur von nicht unter 1500°C, z.B. bei 1800°C, unter Verwendung von z.B. einer elektrischen Heizvorrichtung unmittelbar und kontinuierlich ausgeführt. Das heißt, daß die zweite Schnellerhitzungs- und Löschungsbehandlung durchgeführt wird. Durch unmittelbares Ausführen der Transformation bzw. Umsetzung von der ungesättigten festen BCC-Lösungsphase in die A15-Phase bei hoher Temperatur kann die durch die Transformation verursachte Abweichung von dem stöchiometrischen Zusammensetzungsverhältnis gering gehalten werden. Da die direkt nach der zweiten Schnellerhitzungs- und Löschungsbehandlung gebildete A15-Nb₃Al-Phase eine geringe Abweichung von dem stöchiometrischen Zusammensetzungsverhältnis aufweist, aber einen geringen Kristallisationsordnungsgrad aufweist, weist sie ei ne niedrige Tc von etwa 14,5 K auf. Bei der vorliegenden Erfindung erhöht die Hitzebehandlung bei 600 bis 850°C für die Rückerhaltung (Verbesserung) des Grades an kristalliner Fernordnung der Kristalle die Tc auf etwa 18,5 K. Dieser Wert ist im Vergleich zu den Proben, die der konventionellen einfachen Schnellerhitzungs- und Löschungsbehandlung unterzogen waren mindestens 0,5 K höher. Darüber hinaus erreicht die Hc₂ (4,2K) 30 T und eine große Verbesserung der Eigenschaften im superstarken Magnetfeld können ohne die Zugabe von dritten Elementen, wie Ge und Si, verwirklicht werden. Die Jc (4,2 K) von diesem Draht erreicht etwa 200 A/mm² bei 25 T und der Draht weist Eigenschaften auf, die gleich bzw. äquivalent den Eigenschaften eines Nb₃(Al, Ge)-Supraleiters mit 20 at% zugesetztem Ge sind. Darüber hinaus weist der Draht die höchste Jc (4,2 K) unter den konventionellen extrafeinen mehrfädigen metallischen Supraleitungsdrähten auf, nämlich etwa 250 A/mm² bei 24 T und etwa 300 A/mm² bei 23 T.
Bei dem vorstehend erwähnten Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung muß die Heiztemperatur bei der zweiten Schnellerhitzungs- und Löschungsbehandlung niedriger sein als bei der ersten Schnellerhitzungs- und Löschungsbehandlung. Wenn sie höher ist, bildet sich durch die zweite Schnellerhitzungs- und Löschungsbehandlung keine A15-phasige Nb₃Al-Verbindung. Darüber hinaus ist es nicht wünschenswert, die Heizzeit bei der Schnellerhitzungs- und Löschungsbehandlung zu erhöhen, da sie zu der Abnahme der Löschungsgeschwindigkeit führt. In der Praxis ist eine Erhitzung für 2 Sekunden oder weniger, oder für 0,1 Sekunden ausreichend.
Eine Kaltbearbeitung unter Verringerung der Fläche von 70% oder weniger nach der ersten Schnellerhitzungs- und Löschungsbehandlung ist für eine Verbesserung bzw. Erhöhung der Leistung nutzbar. Wenn die Reduzierung der Fläche mehr als 70% beträgt, wird jedoch die erzielte Jc verringert.
Darüber hinaus kann bei der vorliegenden Erfindung eine Kupferbeschichtung vor oder nach der zusätzlichen Hitzenbehandlung durchgeführt werden. Ein Versetzen mit Cu oder Ag als Diffusionsbarriere kann auch vor der ersten Schnellerhitzungs- und Löschungsbehandlung durchgeführt werden.
Die folgenden Beispiele erläutern die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im einzelnen, sollen jedoch die Erfindung nicht einschränken.
BEISPIELE
(Beispiel 1)
Durch Verwendung einer kontinuierlichen Schnellerhitzungsund Löschungsvorrichtung, die in 2 dargestellt ist, wurde die erste Erhitzungs- und Löschungsbehandlung auf einen extrafeinen mehrfädigen Nb/Al-Verbunddraht angewendet, der durch ein Verfahren hergestellt wurde, das das Ziehen eines Verbunds umfaßt, der durch Übereinanderlegen und Rollen eines Nb-Blechs und eines Al-Blechs erhalten wurde (das Gelier-Rollverfahren). Der Verbunddraht wurde mit einer Geschwindigkeit von 1 m/sec bewegt und wurde schnell auf 2000°C in 0,1 Sekunden zwischen einem Ga-Bad und einem Elektrodenblock elektrisch erhitzt. Der Verbunddraht wurde anschließend durch ein Ga-Bad durchgeführt, das auf 50°C gehalten wurde, wodurch er schnell gelöscht wurde (Schnelllöschungsgeschwindigkeit: 1×10⁵°C/sec). Das Ga-Bad diente als Elektrode und als Kühlmittel. Die Röntgenbeugung bestätigte, daß eine übersättigte feste BBC-Nb-Al-Legierungslösungsphase nach der ersten Schnellerhitzungsund Löschungsbehandlung in dem Draht gebildet war. Der Draht wurde einer Schnellerhitzungs- und Löschungsbehandlung unterzogen. Der Draht wurde zwischen dem Ga-Bad und dem Elektrodenblock elektrisch erhitzt, während er auch bei der zweiten Schnellerhitzungs- und Löschungsbehandlung mit einer Geschwindigkeit von 1 m/sec bewegt wurde. Anders als bei der ersten Schnellerhitzungs- und Löschungsbehandlung wurde die Temperatur bei der zweiten Schnellerhitzungs- und Löschungsbehandlung auf 1900°C eingestellt. Eine Erhitzungszeit wurde auf 0,1 Sekunden eingestellt. Dann wurde der Draht durch auf 50°C gehaltenes Ga-Bad durchgeführt, wodurch er schnell gelöscht wurde. Nach der zweiten Schnellerhitzungs- und Löschungsbehandlung wurde der Draht einer zusätzlichen Hitzebehandlung bei 800°C für 12 Stunden in einem Vakuum (1,33 × 10^– ³ bis 1,33 × 10^–4 Pa) unterzogen. Es wurde bestätigt, daß eine gleiche Behandlung wie vorstehend beschrieben ist, die unter Halten des Ga-Bades auf 150°C durchgeführt wurde, zu beinahe den gleichen Ergebnissen führte.
Die Röntgenbeugung offenbarte, daß sich nach der zweiten Schnellerhitzungs- und Löschungsbehandlung in dem Draht eine A15-Phase gebildet hatte und er hatte eine Tc von etwa 14,5 K. Die zusätzliche Hitzebehandlung bei 800°C stellte den Grad der kristallinen Fernordnung der Kristalle wieder her und verbesserte bzw. erhöhte die Tc auf 18,4 K, die im Vergleich mit den Proben aus einer konventionellen einfachen Schnellerhitzungs- und Löschungsbehandlung mindestens 0,5 K höher war. Es kann in Betracht gezogen werden, daß die Transformation bzw. Umwandlung und Kristallisation bei einer hohen Temperatur von 1900°C und in einer extrem kurzen Zeit das Atomverhältnis von Nb zu Al in der A15-Phase auf nahezu 3:1, die stöchiometrische Zusammensetzung, gebracht hat. 3 zeigt eine Übergangskurve des Supraleitungswiderstands und vergleicht die Tc von der durch das konventionelle Erhitzungs- und Löschungsverfahren herge stellten Probe mit der Tc von der durch das zweistufige Schnellerhitzungs- und Löschungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten Probe.
Darüber hinaus trat kein Übergang von der übersättigten festen BCC-Nb-Al-Lösung in die A15-Nb₃Al-Phase auf, wenn die Maximaltemperatur bei der zweiten Schnellerhitzungs- und Löschungsbehandlung gleich oder höher als bei der ersten Schnellerhitzungs- und Löschungsbehandlung (2000°C) eingestellt war. 4 enthält Jc-B-Kurven von verschiedenen Arten von extrafeinen mehrfädigen Supraleitungsdrähten bei 4,2 K. Die Jc (4,2 K) des durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellten extrafeinen mehrfädigen Nb₃Al-Drahtes erreichte etwa 200 A/mm² bei 25 T und die Eigenschaften im superstarken Magnetfeld waren ohne jegliche Zugabe von dritten Elementen wie Ge und Si verbessert. Darüber hinaus betrug die Jc (4,2 K) etwa 250 A/mm² bei 24 T und etwa 300 A/mm² bei 23 T. Sogar wenn das Magnetfeld auf etwa 18 T reduziert war, war die Jc (4,2 K) erheblich höher als die des Nb₃Al-Drahtes aus dem konventionellen einstufigen Schnellerhitzungs- und Löschungsverfahren. Solche in diesem Magnetfeldbereich erhaltene Ergebnisse brechen den Rekord für die Jc bei praktisch anwendbaren metallischen Supraleitungsdrähten mit einer extrafeinen mehrfädigen Struktur und sind besondere Beachtung wert. Darüber hinaus erreichte die Hc₂ (4,2K) des erfindungsgemäßen Drahtes ohne die Zugabe von dritten Elementen wie Ge außergewöhnlicherweise 30 T. Die Zugabe von Ge ist für die Verbesserung von Tc und Hc₂ sehr wirkungsvoll, aber andererseits zerstört sie die Ziehfähigkeit von Drähten. Im Gegensatz dazu kann das zweistufige Schnellerhitzungs- und Löschungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung durch Verwendung von Vorläuferdrähten mit einem Entwicklungsstand, der im Bereich der durch die Ziehtechnologie festgesetzten handelsüblichen Basis liegt, hervorragende Eigenschaften im superstarken Magnetfeld ergeben. Das Auftreten bzw. die Bereitstellung des erfindungsgemäßen Drahtes macht es möglich, den supraleitenden 25 T- bis 28 T-Magnet, der üblicherweise als Traum angesehen wurde, bei niedrigen Kosten nach nur einer kurzen Entwicklungszeit zu verwirklichen. Der erfindungsgemäße Draht hat eine enorme aufsehenderregende Wirkung auf verschiedene unbetretene Forschungsgebiete, wie die Hochenergiephysik und die Erklärung der Superorganisationsstruktur von Proteinen.
(Beispiel 2)
Bei dem vorstehenden Beispiel 1 wurde ein Teil der Drähte nach der ersten Schnellerhitzungs- und Löschungsbehandlung einem Zwischenziehverfahren und dann der zweiten Schnellerhitzungs- und Löschungsbehandlung unterzogen. Die Verringerung der Fläche der Drähte während des Zwischenziehverfahrens betrug etwa 50%. 5 zeigt die Veränderung der Jc(4,2 K)-B-Kurven in Abhängigkeit davon, ob die Zwischenbearbeitung nach der ersten Schnellerhitzungs- und Löschungsbehandlung durchgeführt wird oder nicht. Es wurde bestätigt, daß die Einführung der Zwischenbearbeitung nach der ersten Schnellerhitzungs- und Löschungsbehandlung die Jc offensichtlich erhöhte bzw. verbesserte. Jedoch wurde eine Verminderung der Jc beobachtet, wenn die Verringerung der Fläche 70% oder mehr betrug.
Wie vorstehend im einzelnen beschrieben ist, stellt die Erfindung gemäß der vorliegenden Anmeldung, durch einfache Verwendung eines Nb/Al-Verbunddrahtes (Vorläuferdraht), dessen Ziehtechnologie eingeführt bzw. bekannt ist, einen Nb₃Al-Supraleitungsdraht mit hervorragenden Tc-, Hc₂- und Jc-Eigenschaften zur Verfügung. Mit dem neuentwickelten Draht wird der 25-28 T-Supraleitungsmagnet verwirklicht werden, der herkömmlicherweise als Traum angesehen wurde.

Claims

Verfahren für die Herstellung eines extrafeinen mehrfädigen Nb₃Al-Supraleitungsdrahtes, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt: Anwendung einer ersten Schnellerhitzungs- und Löschungsbehandlung auf eine Nb/Al-Verbunddraht mit Atomverhältnis von Al zu Nb von 1:2,5 bis 1:3,5 und mit einer extrafeinen mehrfädigen Struktur, um eine BCC-Legierungsphase zu bilden, die Nb mit darin übersättigt gelöstem Al aufweist, wobei die erste Behandlung das Erhitzen des Verbunddrahtes auf eine Temperatur von nicht unter 1900°C innerhalb von zwei Sekunden und dann dessen Einführung in ein Flüssigmetall bei einer Temperatur von nicht über 400 °C umfaßt, um ihn schnell zu löschen, Anwendung einer zweiten Schnellerhitzungs- und Löschungsbehandlung, um eine A15-phasige Nb₃Al-Verbindung mit einem niedrigen Kristallisationsordnungsgrad aber einer etwa stöchiometrischen Zusammensetzung zu bilden, wobei die zweite Behandlung das Erhitzen des Drahtes auf eine Temperatur von nicht unter 1500°C innerhalb von zwei Sekunden und dann dessen Einführung in ein Flüssigmetall bei einer Temperatur von nicht über 400°C umfaßt, und nach der zweiten Schnellerhitzungs- und Löschungsbehandlung Anwendung einer zusätzlichen Hitzebehandlung bei 600 bis 850°C bei dem Verbunddraht, um den Kristallisationsordnungsgrad der A15-Nb₃Al-Verbindung zu verbessern.
Verfahren für die Herstellung eines extrafeinen mehrfädigen Nb₃Al-Supraleitungsdrahtes gemäß Anspruch 1 das ferner vor oder nach der zusätzlichen Hitzebehandlung den Schritt des Beschichtens des Verbunddrahtes mit Cu umfaßt.
Verfahren für die Herstellung eines extrafeinen mehrfädigen Nb₃Al-Supraleitungsdrahtes gemäß Anspruch 1 oder 2, das ferner vor der ersten Schnellerhitzungs- und Löschungsbehandlung den Schritt des Zufügens von Cu oder Ag zur Stabilisierung umfaßt, in einem Stadium, in dem eine Diffusionsbarriere eingeführt wird.
Verfahren für die Herstellung eines extrafeinen mehrfädigen Nb₃Al-Supraleitungsdrahtes gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, das ferner zwischen der ersten Schnellerhitzungs- und Löschungsbehandlung und der zweiten Schnellerhitzungs- und Löschungsbehandlung den Schritt einer Kaltbearbeitung unter Reduktion der Fläche von 70% oder weniger umfaßt.