DE1912491C3 - Verfahren zur Herstellung eines Leiters aus supraleitendem Material - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Leiters aus supraleitendem Material, beispielsweise für die Verwendung von tiefstgekühlten Kabeln, mit einer im Leiteraufbau angeordneten Schicht aus einer supraleitenden Legierung und/oder Verbindung aus mindestens zwei Komponenten, von denen eine oder mehrere durch Wärmebehandlung zum Eindiffundieren gebracht sind.

Es ist bereits ein Verfahren zur Herstellung eines beliebig geformten Gegenstandes, beispielsweise eines Drahtes, mit einer Oberflächenschicht aus einer supraleitenden Legierung und/oder Verbindung aus mindestens zwei Komponenten bekannt, bei dem der Draht aus Niob, Vanadium oder Tantal hergestellt und dann in mindestens einen Teil seiner Oberfläche die andere Komponente, beispielsweise Zinn, Aluminium, Gallium oder Silizium, allein oder in Kombination bei hoher Temperatur, d.h. etwa 900 bis 1200⁰C, zur Eindiffusion gebracht wird. Die nach diesem Verfahren hergestellte supraleitende Schicht an der Oberfläche des

Gegenstandes hat jedoch infolge der verhältnismäßig geringen Abriebfestigkeit insbesondere dann erhebliche Nachteile, wenn es sich bei dem hergestellten Gegenstand um Drähte handelt, die als Teil eines supraleitenden Kabels Anwendung finden sollen.

Bekannt ist auch bereits die Herstellung eines drahtförmigen Supraleiters in der Weise, daß ein Kupferstab in ein Niob-Rohr besteckt und das den Kupferstab enthaltende Niob-Rohr zu einem Draht ausgezogen wird. Abgesehen davon, daß auf diesem

Wege keine kontinuierliche Fertigung möglich ist, ist auch die Länge des herzustellenden Supraleiters begrenzt. Denn die Drahtlänge ist durch die Abmessung des jeweiligen Niob-Rohres und des Kupferstabes vorgegeben.

Eine andere bekannte Leiterkonstruktion für Supraleiterkabel besteht aus dem Leiterkern aus Niob, der mit einer Zinnschicht versehen ist und einem Zylinder aus Niob, der aile Drähte gemeinsam umfaßt, um die dünne Zinnschicht zu schützen. Auch hier werden die mit einer Zinnschicht versehenen Leiterkerne in ein Niob-Rohr eingebracht, das den äußeren Zylinder darstellt. Somit ist auch hier die herzustellende Leiterlänge begrenzt, der Fertigungsprozeß kann nicht kontinuierlich ablaufen.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zu finden, supialeitfähige Drähte in einem Arbeitsgang und in beliebiger Länge herzustellen, ohne daß die empfindlichen Zinnschichten zerstört werden.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß um einen langgestreckten Träger mit einer an seiner Oberfläche befindlichen Schicht aus der Komponente mit dem im Leiteraufbau niedrigsten Schmelzpunkt ein längseinlaufendes Band dünner Wandstärke aus einer Komponente mit einem Schmelzpunkt oberhalb der zum Eindiffundieren erforderlichen Temperatur zu einem Rohr geformt, an seinen Kanten verschweißt und mindestens auf die auf dem Träger befindliche Schicht heruntergezogen wird, und daß der so hergestellte Leiter dann einer Wärmebehandlung unterzogen wird.

Ein solches Verfahren, bei dem beispielsweise über eine auf einem Kupferdraht befindliche Zinnschicht ein längsnahtgeschweißter Niobmantel aufgebracht und so weit heruntergezogen wird, daß er fest auf der Zinnschicht aufliegt, hat den besonderen Vorteil, daß der so hergestellte Draht unbedenklich weit über die Schmelztemperatur des Zinns erwärmt werden kann, ohne daß das Zinn die Möglichkeit hat, an der Trägeroberfläche entlang fortzufließen. An der Innenseite des Niobmantels entsteht dann bei der anschließenden Wärmebehandlung die gewünschte Niob-Zinn-Verbindung mit hoher Sprungtemperatur und hoher magnetischer Feldbeständigkeit. Diese Schicht ist gleichzeitig mit dem Träger fest verbunden. Die Dicke der Niob-Zinn-Schicht hängt von der bei der Wärmebehandlung angewendeten Temperatur und von der Zeitdauer der Wärmeeinwirkung ab. Durch unter-

schiedliche Zeit- bzw. Temperaturwahl läßt sich die Dicke dieser Schicht, die nur einige μ zu betragen braucht, leicht steuern. Der Vorteil einer solch dünnen Schicht wiederum ist der einer verhältnismäßig geringen Spröcligkeit.

Dadurch, daß die supraleitende Schicht sich zwischen Träger und Mantel befindet und der beispielsweise aus Kupfer bestehende Träger sich L>d der Wärmebehandlung stärker ausdehnt als die darüberliegenden Schichten, wird die Schicht mit dem niedrigsten Schmelzpunkt gegen den Außenmantel gepreßt, so daß Hohlraumbildungen, die Anlaß zu Störungen in der supraleitenden Schicht geben könnten, vermieden sind.

Als Träger für das längseinlaufende und anschließend zum Rohr geformte Band aus Niob, einer Nioblegierung oder -verbindung oder anderen geeigneten Materialien, beispielsweise auch plattierter Trägerblechc, kann ein verzinnter oder sonstwie mit der in das Niob eindiffundierenden metallischen Schicht beaufschlagter Metalldraht, vorzugsweise aus Kupfer, verwendet werden, der von dem Band aus einer Komponente mit einem Schmelzpunkt oberhalb der zum Eindiffundieren erforderlichen Temperatur umschlossen, auf den gewünschten Drahtdurchmesser heruntergezogen und anschließend bis über die Schmelztemperatur der aufgebrachten Metallschicht, beispielsweise Zinn, erwärmt wird. Abweichend hiervon ist es aber auch möglich und oft von besonderem Vorteil, als Träger einen Kupferdraht zu verwenden, der in bekannter Weise von Trommeln oder Spulen abgezogen und — beispielsweise vor dem Ummanteln mit einem Niobband — durch ein Zinnbad oder ein Bad mit einer Zinnlegierung oder auch durch Zinndampf geführt wird.

Die Wandstärke des um den Träger einschließlich der aufgebrachten Schicht aus der Komponente mit dem im Leiteraufbau niedrigsten Schmelzpunkt zum Rohr geformten Bandes liegt in der Regel zwischen 0,03 bis 0,5, vorzugsweise zwischen 0,05 bis 0,2 mm. Die Verwendung eines solchen durchlaufend längsnahtgeschweißten Rohres ermöglicht eine kontinuierliche Herstellung des Leiters, wobei dieser durch die Wahl geeigneter Trägerkörper bzw. durch die gewählten Abmessungen flexibel gemacht werden kann.

Da die zwischen Träger und Außenmantel gebildete supraleitende Zwischenschicht je nach Stärke eine gewisse Sprödigkeit aufweist, kann es oft von besonderem Vorteil sein, den nach dem Verfahren gemäß der Erfindung hergestellten Leiter in seine endgültige Form zu bringen und die Wärmebehandlung anschließend durchzuführen. So läßt sich beispielsweise der heruntergezogene supraleitende Draht in beliebiger Länge zu Spulen wickeln und anschließend einer Wärmebehandlung unterziehen. Dies ist in einfachster Weise dadurch möglich, daß die Spule im fertigen Zustand in einen Glühofen gebracht und dort der Draht bei den üblichen Temperaturen von 900 bis 1 200⁰C geglüht wird. Abweichend hiervon kann es aber auch vorteilhaft sein, die Wärmebehandlung in der Weise durchzuführen, daß durch die Spule ein elektrischer Strom geleitet wird, der diese während der Glühdauer auf die geforderte Temperatur bringt. Wesentlich für die Erfindung ist in jedem Fall, daß die Komponente mit dem niedrigsten Schmelzpunkt, beispielsweise die Zinnschicht, im Innern des Mantels auch bei den erhöhten Glühtemperaturen gehalten wird, so daß eine ununterbrochene supraleitende Schicht längs des Leiters gebildet wird.

Die Erfindung sei anhand des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert:

Der von der schematisch angedeuteten Vorratstrommel 1 abgezogene, beispielsweise verzinnte Kupferdraht 2 wird mit dem von der Vorratsrolle 3 ablaufenden Niobband 4 ummantelt. Hierzu dienen nicht näher bezeichnete Verformungsrollen, mittels derer das Band 4 zu einem den verzinnten Kupferdraht 2 umschließenden Rohr 5 geformt wird. Das so gebildete Rohr wird an seinen Karren mittels der Schweißeinrichtung 6 vorteilhaft unter Schutzgas verschweißt. Durch den Raupen- oder Spannbackenabzug 7, dessen Backen 8 das Rohr zur Kraftübertragung fest umschließen, wird dann das verschweißte Rohr 5 mindestens auf die Zinnschicht des Drahtes heruntergezogen. Hierzu dient die hinter der Schweißeinrichtung 6 angeordnete Ziehmatrize 9. Oft kann es jedoch von Vorteil sein, der ersten Ziehstufe eine zweite oder dritte Matrize nachzuschalten, mit deren Hilfe der ummantelte Kupferdraht 2 nach und nach auf den Enddurchmesscr des Leiters heruntergezogen wird.

Hinter dem Raupen- oder Spannbackenabzug 7 ist ein an sich bekannter, in der Figur schematisch angedeuteter Glühofen 10 angeordnet, in dem der heruntergezogene Leiter einer Wärmebehandlung unter Schutzgas oder Vakuum etwa bei 950 bis 1200"C unterzogen wird, so daß durch Ineinanderdiffundieren von Niob und Zinn im Schichtenaufbau des Drahtes eine hartsupraleitcnde Schicht erzeugt wird. Der aus dem Glühofen 10 austretende Leiter wird dann in an sich bekannter Weise auf die Vorratstrommel 11 aufgewickelt.

Hinsichtlich der verlangten Glühzeiten werden an den Glühofen 10 besondere Forderungen gestellt. Sollte die Zeit des Du^rchlaufens zum Erzeugen der supraleitenden Schicht daher nicht ausreichen, kann man den heruntergezogenen Draht auch einer gesonderten Glühbehandlung etwa in einem an sich bekannten Einsatzglühofen oder durch einen Stromfluß unterwerfen.

Wird als Träger nicht ein bereits verzinnter Kupferdraht verwendet, so ist es vorteilhaft, in den kontinuierlichen Fertigungsablauf vor dem Ummanteln beispielsweise ein Zinnbad einzuschalten, durch das der von der Vorratsrolle ablaufende Kupferdraht hindurchgeführt wird.

Als Band dünner Wandstärke kann man auch vorteilhaft ein plattiertes Metallband, beispielsweise ein mit Niob plattiertes Kupferband, verwenden, das zum Rohr geformt und anschließend je nach den geforderten Abmessungen des Leiters auf die Schicht mit dem im Leiteraufbau niedrigsten Schmelzpunkt oder zusammen mit der Schicht und dem Träger nach und nach auf den geforderten Leiterdurchmesser heruntergezogen wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Leiters aus supraleitendem Material, beispielsweise für die Verwendung in tiefstgekühlten Kabeln, mit einer im Leiteraufbau angeordneten Schicht aus einer supraleitenden Legierung und/oder Verbindung aus mindestens zwei Komponenten, von denen eine oder mehrere durch Wärmebehandlung zum Eindiffundieren gebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß um einen langgestreckten Träger mit einer an seiner Oberfläche befindlichen Schicht aus der Komponente mit dem im Leiteraufbau niedrigsten Schmelzpunkt ein längseinlaufendes Band dünner Wandstärke aus einer Komponente mit einem Schmelzpunkt oberhalb der zum Eindiffundieren erforderlichen Temperatur zu einem Rohr geformt, an seinen Kanten verschweißt und mindestens auf die auf dem Träger befindliche Schicht heruntergezogen wird und daß der so hergestellte Leiter einer Wärmebehandlung unterzogen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Träger ein mit der Schicht mit dem niedrigsten Schmelzpunkt versehener Metalldraht verwendet wird, der von dem längseinlaufenden Band dünner Wandstärke umschlossen, auf den gewünschten Durchmesser heruntergezogen und anschließend geglüht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Träger ein Metalldraht dient, der von Vorratstrommeln oder -spulen abgezogen, im gleichen Arbeitsgang mit der Schicht mit dem niedrigsten Schmelzpunkt versehen, mit dem Band dünner Wandstärke ummantelt, dann auf den gewünschten Durchmesser heruntergezogen und schließlich geglüht wird.

4. Verfahren nach Anspruch ! oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß als Träger ein mit einer Zinnschicht versehener Kupferdraht dient, der von einem Niobband dünner Wandstärke umschlossen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß als Band dünner Wandstärke ein beschichtetes Metallband, beispielsweise ein mit Niob beschichtetes "Kupferband, verwendet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der auf den gewünschten Durchmesser heruntergezogene Draht zunächst als Spule gewickelt und dann einer Wärmebehandlung, beispielsweise durch elektrischen Stromfluß, unterzogen wird.