DE1458397B2 - Verwendung von ternaeren niob zirkonium titan legierungen als supraleiterwerkstoff - Google Patents

Description

als Werkstoff zur Herstellung von Supraleitern, besonders für supraleitende Erregerspulen starker Magnetfelder.

Die Erfindung bezieht sich auf eine neue Verwendung bestimmter ternärer Niob-Zirkonium-Titan-Legierungen als Supraleiterwerkstoff.

Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, Legierungen zur Verwendung als Werkstoff zur Herstellung von Supraleitern vorzusehen, die bei sehr hohen magnetischen Feldstärken brauchbar sind. Weiterhin soll der Preis dieser supraleitenden Materialien niedriger sein als bisher, und sie sollen leicht zu dünnen Drähten verarbeitbar sein.

Ti-V, Nb-Zr, Zr-Mo, Ta-Hf, Ti-Nb, Ti—Mo, Ti—Ta und ähnliche Kombinationen sind als Legierungen bekannt, die ausgeprägte Supraleiter-Eigenschaften besitzen und mechanisch verarbeitbar sind, wie unter anderem der französischen Patentschrift 1 309 574 und der »Zeitschrift für Metallkunde« (1962), S. 721 bis 728, und (1963), S. 331 bis 338, zu entnehmen ist. Unter diesen zeigen die Nb-Zr-Legierungen die besten Eigenschaften als Supraleiter und sie werden in den Vereinigten Staaten bereits auf den Markt gebracht.

Eigene experimentelle Untersuchungen an der im Handel erhältlichen Legierung Nb—25 Atomprozent Zr ergaben nun für die kritische Stromstärke (I_c) bei einer Temperatur von 4,2° K Werte von 5 · 10⁴ A/cm², jedoch nahezu Null in einem transversalen Magnetfeld von 60 bzw. 75 kOe. Das besagt, daß die oben angegebene Nb-Zr-Legierung in starken Magnetfeldern von 70 kOe an nicht mehr brauchbar ist. Darüber hinaus sind Nb und Zr relativ teuer und bedingen einen relativ hohen Preis für die Legierung.

Andererseits sind aus der USA.-Patentschrift 2 985 531 zunderbeständige, hochtemperaturfeste, ternäre Legierungen, die aus 39 bis 6O°/o Niob, 39 bis 60% Zirkonium und 1 bis 6% Titan bestehen, und aus der USA.-Patentschrift 3 038 798 solche Legierungen bekannt, die aus 40 bis 60% Niob, 30 bis 40 % Zirkonium, Rest Titan bestehen.
Überraschenderweise wurde gefunden, daß bestimmte Legierungen im ternären System Niob—Zirkonium—Titan Supraleitereigenschaften aufweisen, die denen der bekannten binären Legierungen merklich überlegen sind und sich insbesondere durch eine

ίο höhere kritische Magnetfeldstärke vom Bekannten unterscheiden.

Gegenstand der Erfindung ist daher die Verwendung von ternären Niob-Zirkonium-Titan-Legierungen mit einer der folgenden, in Atomprozent angegebenen Zusammensetzungen:

60 Niob — 30 Zirkonium — 10 Titan
60 Niob — 20 Zirkonium — 20 Titan
50 Niob — 40 Zirkonium — 10 Titan

50 Niob — 30 Zirkonium — 20 Titan

50 Niob — 20 Zirkonium — 30 Titan
50 Niob — 10 Zirkonium — 40 Titan
40 Niob — 32 Zirkonium — 28 Titan

49 Niob — 23 Zirkonium — 28 Titan

56 Niob — 16 Zirkonium — 28 Titan
33 Niob — 19 Zirkonium — 48 Titan
39 Niob — 13 Zirkonium — 48 Titan

45 Niob — 7 Zirkonium — 48 Titan

28 Niob — 10 Zirkonium — 62 Titan
33 Niob — 5 Zirkonium — 62 Titan
25 Niob — 5 Zirkonium — 70 Titan

als Werkstoff zur Herstellung von Supraleitern, besonders für supraleitende Erregerspulen starker Magnetfelder.

Zur Schmelzherstellung eines Rohlings aus den erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungskomponenten wird zweckmäßig ein Elektronenstrahl-Schmelzofen benutzt.

Dieser Rohling wird dann zur Herstellung von Drähten mit beispielsweise 0,25 mm Durchmesser wiederholten Kaltverarbeitungsvorgängen und zwischengeschalteten Anlaß- oder Temperungsbehandlungen unterworfen. Mit so erhaltenen Supraleitern unterschiedlicher prozentualer Zusammensetzung wurden experimentelle Untersuchungen mit senkrecht zueinander orientierten Richtungen von Magnetfeld und elektrischem Strom durchgeführt. Die Ergebnisse der Messungen, die die Beziehung zwischen Magnetfeldstärke H und kritischer Stromstärke I_c bei 4,2° K zeigen, sind in F i g. 1 und 2 a bis 2 c wiedergegeben. Die Sprungtemperatur der Legierung liegt bei etwa 7 bis 11° K.

Während F i g. 1 H-7_C-Kurven von bekannten und erfindungsgemäß zu verwendenden Supraleitern zum Vergleich zeigt, sind in Fig. 2a, 2b und 2c charakteristische Meßwerte dieser Supraleiter in Dreieckdiagramme eingetragen.

In F i g. 1 zeigen die Kurven 1, 2, 3, 4, 5 und 6 die fl-/_c-Kurven für Nb-50 %-Zr-Legierungen als Vergleichsproben, für Nb-20 %-Zr-30 %-Ti-Legierungen, Nb-3O°/o-Zr-2O°/o-Ti-Legierungen, Nb-10%-Zr-40%-Ti-Legierungen sowie für Nb-50 %-Ti-Legierungen und für Nb-25 %-Zr-Legierungen als Vergleichsproben, die im Handel erhältlich sind.
Die Fig. 2a, 2b und 2c sind Dreiecksdiagramme,

in die die aus den Kurven der F i g. 1 entnommenen Werte für die kritische Stromstärke I_c bei Feldstärken des angelegten Magnetfeldes von 50, 70 bzw. 80 kOe aufgetragen sind. Die Werte für die kritische Stromstärke sind in den jeweiligen Figuren numerisch eingetragen.

Den F i g. 1 und 2 ist es zu entnehmen, daß bei den erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen hohe kritische Stromstärkewerte bis zu höheren Magnetfeldstärken aufrechterhalten bleiben als bei den bekannten Nb-Zr- und Nb-Ti-Legierungen. So liegt beispielsweise der Wert für die kritische magnetische Feldstärke der bekannten Nb-25 %-Zr-Legierung bei etwa 75 kOe, während die analogen Werte für die vorgeschlagenen Legierungen bei etwa 90 bis 105 kOe liegen, was besagt, daß die erfindungsgemäß zu verwendenden supraleitenden Materialien bis zu höheren magnetischen Feldstärken benutzbar sind.

Es wurde außerdem festgestellt, daß Drähte aus erfindungsgemäß zu verwendenden supraleitenden Materialien mit relativ niedrigem Niobgehalt in Form einer Spule einen geringen Abfall in der kritischen Stromstärke zeigen, d. h. eine niedrige sogenannte »Degradation«. So zeigen supraleitende Drähte mit 0,25 mm Durchmesser aus einer Nb-50%-Zr-40°/o-Ti-10%-Legierung maximal zulässige Stromstärkewerte, die im wesentlichen gleich denjenigen für ein kurzes gerades Drahtstück waren. Ähnliche Untersuchungen wurden auch an Legierungen mit unterschiedlichem Niobgehalt von 20 bis 60% durchgeführt, und es wurde gefunden, daß der Effekt um

ίο so geringer ist, je niedriger der Niobgehalt gewählt wird. Solche Drähte aus harten Supraleitern, die, wie oben beschrieben, einen geringen Degradationseffekt zeigen, sind außerordentlich interessant für die Anwendung als Wicklungen für Supraleiter-Magnete, -Transformatoren oder ähnliche Bauteile.

Bei den erfindungsgemäß zu verwendenden supraleitenden Legierungen wird die relativ teure Komponente Niob teilweise durch das relativ billige Ti ersetzt, wodurch Legierungen mit relativ geringen Kosten erhalten werden, die sich darüber hinaus für die Herstellung dünner Drähte leichter mechanisch verarbeiten lassen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Verwendung von ternären Niob-Zirkonium-Titan-Legierungen mit einer der folgenden, in Atomprozent angegebenen Zusammensetzungen:

   60 Niob — 30 Zirkonium — 10 Titan
   60 Niob — 20 Zirkonium — 20 Titan
   50 Niob — 40 Zirkonium — 10 Titan
   50 Niob —{'30 Zirkonium — 20 Titan
   50 Niob — 20 Zirkonium — 30 Titan
   50 Niob — 10 Zirkonium — 40 Titan
   40 Niob —' 32 Zirkonium — 28 Titan
   49 Niob — 23 Zirkonium — 28 Titan
   56 Niob — 16 Zirkonium — 28 Titan
   33 Niob — 19 Zirkonium — 48 Titan
   39 Niob — 13 Zirkonium — 48 Titan
   45 Niob — 7 Zirkonium — 48 Titan
   28 Niob — 10 Zirkonium — 62 Titan
   33 Niob — 5 Zirkonium — 62 Titan
   25 Niob — 5 Zirkonium — 70 Titan