DE1590261C3 - Verfahren zur Herstellung eines supraleitenden Drahtes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines supraleitenden Drahtes, bei dem eine Dreistofflegierung aus Niob, Zirkon, Titan erschmolzen, geglüht und nach dem Erkalten durch Hämmern und Strecken bei Anwendung einer Wärmebehandlung im Querschnitt verringert wird.

Bekanntlich ist die Supraleitfähigkeit ein besonderer Fall der Leitfähigkeit, bei der der Widerstand eines Leiters unter genau festgelegten physikalischen Bedingungen plötzlich praktisch zu Null wird. Diese Erscheinung wird in praktischen Anwendungsfällen wie beispielsweise Spulen, Speichern und Transformatoren ausgenutzt. Eine wichtige Folge dieser Erscheinung liegt darin, daß es möglich ist, die Querschnitte der Wicklungen für einen gegebenen Strom beträchtlich zu mindern, somit gedrängtere Wicklungsaufbauten zu schaffen und auf Einrichtungen zu verzichten, welche die durch den Joule-Effekt hervorgerufenen Wärmemengen abführen, da solche praktisch nicht mehr vorhanden sind.

Eine Grundmetallegierung, die sich durch ihre supraleitenden Eigenschaften als zweckmäßig erweist, ist das binäre System Niob-Titan. Der Wert der kritischen Stromdichte kann nämlich 10⁶ A/cm² bei einer kritischen Feldstärke von 140 Kilogauß annehmen. Die mechanischen Eigenschaften dieses Binärsystems sind ebenfalls vorteilhaft, nämlich seine Streckbarkeit bei gewöhnlicher Temperatur und seine Festigkeit.

Leider weisen jedoch die aus einer Niob-Titan-Legierung gebildeten Drähte gewisse Mängel auf, wenn sie zu einer Spule gewickelt werden. Vor Erreichen des Maximalwerts der kritischen Feldstärke müssen nämlich die aufgewickelten Drähte einer progressiven Formierung unterworfen werden, während welcher die Spule Flußsprünge aufweist, wobei diese Vorgänge häufig bei Werten der kritischen Stromstärke erfolgen, die wesentlich niedriger als diejenigen Werte liegen, die an einer Probe kurzer Länge gemessen werden. Diese elektrischen Instabilitäten und diese Leistungsabnahme sind vor allem der chemischen Natur der Niob-Titan-Legierung und ihrer Umhüllungsweise zuzuschreiben. Es muß nämlich bemerkt werden, daß der Mantel eine mehrfache Rolle spielt, nämlich die eines elektrischen Isolators, wenn die von ihm umschlossene Seele sich in supraleitendem Zustand befindet, die eines elektrischen Nebenschlusses, wenn der die Seele bildende Werkstoff übergeht, d. h. aus dem supraleitenden Zustand in den normalen Zustand wechselt, und die der Temperaturvergleichmäßigung.

Aus der französischen Patentschrift 14 10 055 sind darüber hinaus auch bereits supraleitende Dreistofflegierungen aus Niob-Titan-Zirkon bekannt. Aus der zu

ίο einem Barren gegossenen Legierung werden dabei unter Einschaltung von Wärmebehandlungen durch mehrfache Kaltstreckung Drähte geringen Durchmessers hergestellt. Weiterhin ist es aus der britischen Pa.-tentschrift 9 95 710 bekannt, zur Herstellung supraleitender Drähte ein Bündel von isolierten Supraleiterdrähten mit einer gemeinsamen Hülle, z. B. aus Aluminium, zu überziehen und dann diese Anordnung durch mehrfaches Ziehen zu verformen. Wie aus der Zeitschrift »Electrie«, Heft 4, 1965, S. 180 und 181 bekannt ist und einleitend auch bereits erwähnt wurde, wird durch die Umhüllung oder Ummantelung einerseits ein niederohmiger Nebenschluß erzielt und andererseits die beim Übergang in den normalleitenden Zustand entstehende Wärme aufgenommen.

Aus der Zeitschrift »Physical Review« 9, 1962, S. 693 ist im übrigen auch noch bekannt, daß die kritische Stromdichte eines Supraleiters aus Hg-In oder In-Sn durch Abschrecken gesteigert werden kann. Wie aber aus der genannten Zeitschrift Electrie, Heft 4, 1965, S.

176 hervorgeht, können die Eigenschaften eines fertigen Supraleiters nicht auf einen einzigen, bestimmten Behandlungs- oder Bearbeitungsvorgang zurückgeführt werden sondern Art, Ausmaß und Reihenfolge der angewendeten Verformungs- und Behandlungsmethoden haben Einfluß auf die schließlich erzielte kritische Feldstärke.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der einleitend angegebenen Gattung zu schaffen, das ein Supraleiter zur Bildung von bei einer Temperatur unter 8⁰K mit kritischen Stromdichten über 10⁵ A/cm² und unter kritischen Feldstärken von etwa 140 Kilogauß verwendbaren Spulen erzielen läßt.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Dadurch, daß man hierbei Stab und Metallmantel gemeinsam streckt und oberflächlich ineinander diffundieren läßt, werden die Übergangswiderstände zwischen Stab und Metallmantel sowohl in elektrischer als auch in thermischer Hinsicht beseitigt. Durch Einwirken auf den Grad linearer Fehler durch Stoßbehandlungen wie beispielsweise Kalthämmern, schnellen Neutronenbeschuß, gefolgt von oberflächenschließenden Arbeiten wie Ausglühen läßt sich ein besonders hoher kritischer Stromdichtewert erzielen.

Nachstehend wird in Einzelheiten an Hand eines Ausführungsbeispiels das Verfahren gemäß der Erfindung beschrieben. Die Legierung wird zunächst nach der üblichen Technik der Verarbeitung feuerfester Metalle aus einer Grundmischung zubereitet, die Niob und Titan enthält, denen ein oder mehrere Elemente wie Vanadin, Zirkonium, Hafnium und Tantal zugesetzt werden. Es ist zu bemerken, daß diese Metalle nicht mehr als 0,02% Verunreinigungen enthalten dürfen. Wenn die Mischung zu einem Barren gegossen worden ist, wird dieser zunächst geglüht und sodann gehämmert, bis man einen Stab vorzugsweise kreisförmigen Querschnitts erhält. Dieser Stab wird sodann mit einer Hülle beispielsweise aus Kupfer, Silber, Aluminium,

Gold oder rostfreiem Stahl umschlossen. Der Querschnitt der Gesamtheit von Hülle und Seele wird daraufhin durch Kalthämmern, Kaltwalzen und Strecken oder Ziehen bis auf einen Durchmesser von 0,25 mm für die Seele vermindert. Damit der Werkstoff seinen Dehnungskoeffizienten wiedererlangt und ohne Bruch bearbeitet werden kann, müssen entsprechende Ausglühvorgänge vorgenommen werden, die vorzugsweise unter einem sekundären Vakuum bei einer Temperatur zwischen 400 und 1100⁰C durchgeführt werden. Die Wahl der Dauer eines Glühvorganges und der hierbei angewandten Temperatur hängt von der chemischen Zusammensetzung des Barrens und dessen Abmessungen ab. Es ist ferner notwendig, daß der Barren sehr homogen ist und daß die unvermeidbaren örtlichen Änderungen chemischer Zusammensetzungen durch Analysemesser nicht nachweisbar sind. Eine zu ergreifende Vorsichtsmaßnahme besteht darin, daß die Querschnittsdifferenz zwischen dem Innern der Hülle und dem Äußeren des von letzterer umschlossenen Stabes maximal 5% beträgt, da anderenfalls im Laufe des soeben beschriebenen Verfahrens sich ein Gleiten der Hülle unter Bruch derselben einstellt.

Wenn der Draht mit seinem endgültigen Durchmesser unter fester Auflage der Hülle auf der Seele erzielt worden ist, unterwirft man ihn Inhomogenisierungsbehandlungen, die zum Zwecke haben, feste supraleitende Zentren zu schaffen, die netzartige Fehler wie Winkelversetzungen sein können, die von einem Kaltverformen oder Kontraktionen mechanisch-thermischen Ursprungs, Niederschläge einer metastabilen Phase oder Verunreinigungen sein können. Diese so hervorgerufenen örtlichen Fehler erleichtern die Einführung des gemischten, normalen und supraleitenden Zustandes und sind für die Stromdichte verantwortlich.

Die durch den Streckvorgang gemäß der Erfindung erzielte Metallhülle ist der durch elektrolytischen Niederschlag erzielten Hülle überlegen, und zwar auf Grund

a) der Vermeidung thermischen und elektrischen Widerstands auf Grund der mehr oder minder guten Zwischenflächenkontakte,

b) der Konstanz des Querschnitts,

c) der Einfachheit der Durchführung des Verfahrens und

d) des Schutzes des supraleitenden Materials vor physikalischen und chemischen Verunreinigungen während der aufeinanderfolgenden mechanischen Umwandlungen und Ausglühvorgänge.

Nach den soeben beschriebenen Behandlungen wird der zusammengesetzte supraleitende Draht einschließlich seiner Hülle durch feine Bänder oder Fäden aus einem kältebeständigen Kunststoff isoliert. Dieser Vorgang erfolgt durch Verdrillen oder Umspinnen wie für Kabel und Litzen.

Ein weiterer erheblicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß durch Änderung der Bemessung der beispielsweise aus Kupfer bestehenden Hülle und der Kunststoffisolation der Füllfaktor der ίο Spule mit supraleitendem Material in einfachster Weise beeinflußbar ist.

Für die Durchführung des hier vorgeschlagenen Verfahrens werden nachstehend erprobte Beispiele wiedergegeben:

B e i s ρ i e 1 1

In einen in einem Ofen unter primärem Vakuum angeordneten Tiegel langgestreckter Form werden 150 g Titan, 23 g Niob und 53 g Tantal eingebracht, und mehrere Male geschmolzen, um einen homogenen Barren zu erhalten. Diese Homogenität muß chemisch und strukturmäßig sein. Nach Kühlung wird dieser Barren vor dem Hämmern bearbeitet. Sobald ein kreisförmiger Querschnitt erreicht ist, bringt man den so gebildeten Stab in einen Mantel aus Silber ein. Das Behämmern wird so lange fortgesetzt, bis ein Durchmesser von 2 mm erreicht ist. Von diesem Augenblick an beginnt der Streckvorgang, der durch Ausglühvorgänge unter Vakuum bei Temperaturen von 500 bis 700⁰C über 2 bis 5 Stunden unterbrochen wird. Diese Ausglühvorgänge finden statt, sobald die Dehnung des Drahtes unter etwa 1% fällt. Wenn man einen zusammengesetzten Draht erhalten hat, dessen supraleitende Seele einen Durchmesser von 0,25 mm, zusammen mit der Hülle 0,35 bis 0,50 mm aufweist, umwickelt man ihn mit einem Band aus Mylar von 5 g und 5 mm Breite. Ein weiterer Teil dieses Drahtes ist ohne Kunststoffisolation zur Herstellung supraleitender Litzen verwendet worden.

Beispiel 2

Bei diesem Beispiel verwendet man eine Legierung aus 126 g Titan, 29 g Zirkonium und 260 g Niob. Die Umhüllung erfolgt mit einem Rohr aus rostfreiem Stahl, dessen thermische Leitfähigkeit bei tiefer Temperatur ausgezeichnet ist und der ferner einen festeren Draht liefert.
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Claims (2)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung eines supraleitenden Drahtes, bei dem eine Dreistofflegierung aus Niob, Zirkon, Titan erschmolzen, geglüht und nach dem Erkalten durch Hämmern und Strecken bei Anwendung einer Wärmebehandlung im Querschnitt verringert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die erkaltete Dreistofflegierung zunächst durch Hämmern zu einem Stab umgeformt, der Stab in einen Metallmantel eingeführt, der Querschnitt der Einheit »Stab-Metallmäntel« zunächst durch Hämmern verringert und dann durch abwechselndes gemeinsames Strecken und Wärmebehandeln unter Vakuum behandelt wird und daß der erhaltene, superleitende Draht mit einer Schicht aus elektrisch isolierendem Werkstoff überzogen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dreistofflegierung ausgewählt wird aus Niob, Titan, Zirkon, Hafnium, Tantal, Vanadium.