DE19929653A9 - Verfahren zur Herstellung eines bandförmigen Mehrkernsupraleiters mit Hoch-T↓c↓-Supraleitermaterial, Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und mit dem Verfahren hergestellter Supraleiter - Google Patents
Verfahren zur Herstellung eines bandförmigen Mehrkernsupraleiters mit Hoch-T↓c↓-Supraleitermaterial, Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und mit dem Verfahren hergestellter SupraleiterInfo
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Abstract
Mit dem Verfahren ist ein bandförmiger Supraleiter mit mehreren Leiterkernen herzustellen, die ein Hoch-T↓c↓-Supraleitermaterial aufweisen und von normalleitendem Material umgeben sind. Dabei soll erfindungsgemäß ein aus einem Leitervorprodukt gebildeter Rohleiter oder ein daraus geformtes Leiterzwischenprodukt in wenigstens einem Walzschritt durch einen Walzspalt (7) geführt werden, dessen Querschnittsfläche (q) durch zwei Kreisbogenabschnitte (8b, 9b) mit vorbestimmtem Kreisradius (R1, R1') umrandet ist. Der Mehrkernsupraleiter hat vorzugsweise eine Querschnittsform mit seitlich spitz zulaufenden Randbereichen.
Description
Beschreibung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines bandförmigen Supraleiters mit mehreren Leiterkernen,
welche ein Supraleitermaterial mit einer metalloxidischen HoCh-T0-Phase aufweisen und von einem normalleitenden
Material umgeben sind, bei welchem Verfahren ein Leitervorprodukt mit von dem normalleitenden Material umgebenen,
pulverförmigen Vormaterial des Supraleitermaterials erstellt wird und dieses Leitervorprodukt einen querschnittsvermindernden,
das Vormaterial verdichtenden Verformungsprozeß und mindestens einer Glühbehandlung unterzogen
wird, wobei der Verformungsprozeß mindestens einen Schritt zum Flachbearbeiten eines aus dem Leitervorprodukt gebildeten
Rohleiters umfaßt. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens sowie einen
mit diesem Verfahren hergestellten Supraleiter. Ein entsprechendes Herstellungsverfahren und ein damit hergestellter
Supraleiter gehen z. B. aus der Veröffentlichung "Physica C", Vol. 250, 1995, Seiten 340 bis 348 hervor.
Es sind supraleitende Metalloxidverbindungen mit hohen Sprungtemperaturen Tc von über 77 K bekannt, die deshalb
auch als Hoch-Tc-Supraleitermaterialien oder HTS-Materialien bezeichnet werden und insbesondere eine Flüssig-Stickstoff(LN2)-Kühltechnik
erlauben. Unter solchen Metalloxidverbindungen fallen insbesondere Cuprate von speziellen
Stoffsystemen wie insbesondere von selten-erd-haltigen Basistyp Y-Ba-Cu-O oder der selten-erd-freien Basistypen Bi-Sr-Ca-Cu-O
oder (Bi, Pb)-Sr-Ca-Cu-O. Innerhalb einzelner Stoffsysteme wie z. B. der Bi-Cuprate können mehrere supraleitende
Hoch-Tc Phasen auftreten, die sich durch die Anzahl der Kupfer-Sauerstoff-Netzebenen bzw. -Schichten innerhalb
der kristallinen Einheitszellen unterscheiden und die verschiedene Sprungtemperaturen Tc aufweisen.
Mit den bekannten HTS-Materialien wird versucht, langgestreckte Supraleiter in Draht- oder Bandform herzustellen.
Ein hierfür als geeignet angesehenes Verfahren ist die sogenannte "Pulver-im-Rohr-Technik", die prinzipiell von der
Herstellung von Supraleitern mit dem klassischen metallischen Supraleitermaterial NbßSn her bekannt ist. Entsprechend
dieser Technik wird auch zur Herstellung von Leitern aus HTS-Material in eine rohrförmige Umhüllung bzw. in eine Matrix
aus einem normalleitenden Material, insbesondere aus Ag oder einer Ag-Legierung, ein im allgemeinen pulverförmiges
Vormaterial des HTS-Materials eingebracht, das im allgemeinen noch nicht oder nur zu einem geringen Teil die
gewünschte supraleitende Hoch-Tc-Phase enthält. Das so zu erhaltende Leitervorprodukt wird anschließend in verschiedenen
Verformungsschritten, die gegebenenfalls durch mindestens eine Wärmebehandlung bei erhöhter Temperatur unterbrochen
sein können, auf die gewünschte Enddimension gebracht. Danach wird das so erhaltene Leiterzwischenprodukt
zur Einstellung oder Optimierung seiner supraleitenden Eigenschaften bzw. zur Ausbildung der gewünschten Hoch-Tc-Phase
mindestens einer Glühbehandlung unterzogen, die gegebenenfalls durch einen weiteren Verformungsschritt unterbrochen
sein kann.
Bündelt man in an sich bekannter Weise entsprechende Hoch-Tc-Supraleiter oder deren Leitervorprodukte oder deren
Leiterzwischenprodukte, so kann man auch Leiter mit mehreren supraleitenden Leiterkernen, sogenannte Mehrkernoder
Multifilamentsupraleiter, erhalten.
Bekannte Mehrkernsupraleiter mit HTS-Material haben bevorzugt eine Bandform. Um diese Form eines entsprechenden
Leiterendproduktes zu erhalten, muß gemäß der eingangs genannten Literaturstelle ein Walzprozeß vorgesehen werden.
Vor diesem Walzprozeß muß jedoch aus dem Leitervorprodukt ein im allgemeinen zylinderförmiger, vorverformter
und vorverdichteter Verbundkörper erstellt werden mit einer im allgemeinen gleichverteilten Anordnung von Leiterkernen
über den Querschnitt gesehen. Dieser nachfolgend als Rohleiter bezeichnete Verbundkörper wird dann mittels des im
allgemeinen mehrere Walzschritte umfassenden Walzprozesses in die flache Bandform überführt, um so eine für eine
hohe Stromtragfähigkeit notwendige Textur, d. h. eine weitgehend parallele Ausrichtung der Kristallebenen der supraleitenden
Phase, zu erreichen. Hierzu muß das Vormaterial des Supraleiters insbesondere bei der Umformung des Rohleiters
durch den Walzprozeß möglichst stark verdichtet werden.
Es zeigt sich jedoch, daß bei einer derartigen Herstellung eines bandförmigen Mehrkernsupraleiters eine vom Gesamtquerschnitt
des Leiters her ungleichmäßige Verteilung der einzelnen Leiterkerne auftritt. Die einzelnen Leiterkerne variieren
dabei in Dicke und Breite und führen aufgrund einer unterschiedlichen Verdichtung ihres pulverförmigen Vormaterials
zu einer ungleichmäßigen Stromverteilung im Leiterendprodukt. Diese Ungleichmäßigkeit hat in erster Linie ihre
Ursache in dem mindestens einen Walzschritt, bei dem üblicherweise Walzenpaare einen Walzspat mit rechteckigem
Walzbereich begrenzen. Dann werden nämlich die Mittelbereiche des Leiters besonders stark gepreßt, während es in den
seitlichen Randbereichen kaum zu einer Verdichtung des Vormaterials kommt. D. h., im Leiterendprodukt tragen dann
mittlere Leiterkerne einen höheren Strom als äußere (seitliche) Leiterkerne. Außerdem können bei der Umformung
durch solche Zylinderwalzen auftretende Zugspannungen in Breitenrichtung zu ausgeprägten Rissen im Supraleitermaterial
führen. Desweiteren treten unerwünschte Scherungen auf, die ihren Ausgangspunkt an den Längskanten des Leiterbandes
haben und diagonal zur gegenüberliegenden Kante laufen.
Man hat versucht, diese Problematik dadurch zu umgehen, daß man von vornherein ein Leitervorprodukt mit einer
Rechteckgestalt vorsieht (vgl. z. B. EP 0 509 436 A). Der Aufwand zum Aufbau und zur Verformung eines derart gestalteten
Leiters ist jedoch sehr hoch.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das Verfahren mit den eingangs genannten Merkmalen dahingehend auszugestalten,
daß mit ihm ein bandförmiger Mehrkernsupraleiter zu erhalten ist, der insbesondere in seinen seitlichen
Randbereichen eine gegenüber bekannten Ausführungsformen verbesserte Stromtragfähigkeit (bzw. kritische Stromdichte)
besitzt. Ferner sollen ein mit dem Verfahren herstellbarer Supraleiter und eine Vorrichtung zur Durchführung des
Verfahrens angegeben werden.
Die sich auf das Verfahren beziehende Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst.
Hierbei wird als ein Walzgut der Rohleiter oder ein daraus geformtes Leiterzwischenprodukt in wenigstens einem Walzschritt
durch einen Walzspalt geführt wird, dessen Querschnittsfläche durch zwei Bogenlinien umrandet ist, die zumindest
weitgehend zwei Kreisbogenabschnitten mit vorbestimmtem Kreisradius entsprechen. Dabei sollte die Abweichung
von der Idealform jedes Kreisabschnittes insbesondere höchstens so groß sein, daß die entsprechende Kontur des Walzspaltes
in einem Bereich liegt, der jeweils durch zwei konzentrische Kreislinien beschreibbar ist, wobei der Kreisradius
der jeweils äußeren Kreislinie höchstens um 10% größer ist als der Kreisradius der von ihr eingeschlossenen inneren
Kreislinie.
Die mit dieser Ausgestaltung des Verfahrens erreichten Vorteile sind insbesondere darin zu sehen, daß aufgrund einer
kreisbogenförmigen Kontur jeder Walzfläche eine vergleichsweise regelmäßigere Anordnung der einzelnen Leiterkerne
und eine größere Breitung der seitlichen Randleiterkerne erreicht wird. Während nämlich der mittlere Bereich des Rohleiters
bzw. des Walzgutes durch die kreisförmige Walzgeometrie standardmäßig auf eine übliche Dicke gewalzt wird,
werden die seitlichen Randbereiche stärker auf geringere Dicken umgeformt. Da im Randbereich jedoch die Anzahl der
Leiterkerne niedriger ist, stellt sich so zwangsläufig eine verhältnismäßig regelmäßige Geometrie ein. Durch die höhere
Verdichtung der Leiterkerne wird dann vorteilhaft insgesamt eine höhere kritische Stromdichte des Leiterendproduktes
erreicht. Diese Form der erfindungsgemäßen Walzung hat zudem einen positiven Einfluß auf das sogenannte Aspektverhältnis,
d. h. auf den Quotienten aus Dicke und Breite, des Mehrkernleiters.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bildet sich demnach durch die abgerundete Walzspaltgeometrie zumindest bei
dem ersten Walzschritt (= Stich) eine geringere, abgeflachte Reibungszone im oberen und unteren Teil des Bandleiters
aus, wodurch die Verdichtung in diesen Bereichen optimiert wird. Gleichzeitig wird der extreme Materialfluß im Mittelbereich
Richtung Seitenränder reduziert, was eine homogenere Verdichtung der Randfilamente ermöglicht, da die spitz
zulaufenden Seitenbereiche der Walzen die Randfilamente so optimal komprimieren können. Die Bandränder werden
während ihres Fließens mit jedem Stich sukzessive verdichtet. Konventionelle Zylinderwalzen mit oder ohne Seitenbegrenzung
sind jedoch nicht in der Lage, die Seitenbereiche in entsprechender Weise zu verdichten.
Durch den runden, homogenen Übergang von der Mitte des Leiters zu den Seiten hin entstehen keine abrupten Kanten,
wie dies bei Zylinderwalzen der Fall ist. Dadurch können unerwünschte Scherungen vermieden werden. Des weiteren
lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Walzverfahren Zugspannungen im Bandleiter verhindern. Risse und Brüche
werden dadurch unterbunden, Inhomogenitäten bei der Umformung und insbesondere bei einer Phasenbildung der Hoch-Tc-Phase
vom 2223-Typ des bekannten supraleitenden Bi-Cuprates deutlich reduziert.
Als besonders vorteilhaft ist anzusehen, wenn bei mehreren Walzschritten der Rohleiter durch mindestens zwei Walzspalte
geführt wird, wobei die Kreisbogenabschnitte des ersten Walzspaltes einen kleineren Kreisradius aufweisen als die
Kreisbogenabschnitte des nachfolgenden Walzspaltes. Auf diese Weise läßt sich eine Anpassung der Konturen an die mit
jedem Walzschritt zunehmende Verbreiterung und Verdichtung des Rohleiters leicht vornehmen.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn eine Querschnittsfläche derart vorgesehen wird, daß das Walzgut nach dem Durchlaufen
des Walzspaltes zumindest weitgehend die Querschnittsform des Walzspaltes angenommen hat. Dies ist durch geeignete
Wahl der Kreisradien für die Kreisbogenabschnitte zu gewährleisten. Die Querschnittsfläche des Walzgutes soll
nach dem Durchlaufen des Walzspaltes dann mindestens 90%, vorzugsweise mehr als 95% der Fläche des Walzspaltes
einnehmen. Auf diese Weise ist gerade in den seitlichen Randbereichen eine besonders regelmäßige Geometrie der Anordnung
der einzelnen Leiterkerne zu erreichen.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist gekennzeichnet durch mindestens ein den
Walzspalt vollständig umschließendes Walzenpaar. D. h., wegen der sich seitlich berührenden Walzen wird das Walzgut
vorteilhaft an einem seitlichen Austritt aus dem Walzspalt und damit an einer unkontrollierten Verformung und Verdichtung
gehindert.
Ein erfindungsgemäß hergestellter bandförmiger Mehrkernsupraleiter zeichnet sich durch eine Querschnittsform mit
nach der Seite hin spitz zulaufenden, sich verjüngenden Randbereichen aus. Dabei kann die Querschnittsform einen zumindest
annähernd aus zwei Kreisbogenabschnitten zusammengesetzten Rand besitzen. Die zulässige Abweichung von
der jeweiligen Kreisform ist dabei entsprechend der Kontur der Walzfläche. Dieser Mehrkernsupraleiter kann dann noch
im Bedarfsfalle nachträglich abgeflacht sein. Es läßt sich so vorteilhaft ein noch höherer Packungsfaktor eines Aufbaus
aus mehreren solcher Mehrkernsupraleiter erreichen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
und des erfindungsgemäß hergestellten Mehrkernsupraleiters gehen aus den jeweils abhängigen Ansprüchen hervor.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung noch weiter erläutert. Dabei zeigen jeweils schematisch
Fig. 1 den Querschnitt eines Rohleiters,
Fig. 2 den Querschnitt dieses Rohleiters nach einem ersten erfindungsgemäßen Walzschritt,
Fig. 3 den Querschnitt des Rohleiters nach einem weiteren erfindungsgemäßen Walzschritt,
Fig. 4 den Querschnitt eines aus dem Rohleiter gebildeten Leiterendproduktes nach einem abschließenden Walzschritt,
Fig. 5 und 6 Querschnittsänderungen in einer Serie von entsprechenden Walzschritten und
Fig. 7 die für die Walzschrittserie nach Fig. 6 zu wählenden Kreisradien der Walzspaltkonturen.
In den Figuren sind sich entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen versehen.
Ein erfindungsgemäß hergestellter, nachfolgend als Leiterendprodukt bezeichneter Mehrkernsupraleiter stellt einen
langgestreckten Verbundkörper in Bandform dar, der ein in ein normalleitendes Matrixmaterial eingebettetes Hoch-Tc-(HTS)
-Supraleitermaterial wenigstens weitgehend phasenrein enthält. Als HTS-Material sind praktisch alle bekannten
Hoch-Tc-Supraleitermaterialien, vorzugsweise selten-erd-freie, insbesondere Bi-haltige Cuprate, mit Phasen geeignet,
deren Sprungtemperatur Tc über der Verdampfungstemperatur des flüssigen Stickstoffs (LN2) von 77 K liegt. Ein entsprechendes
Beispiel ist das HTS-Material vom Typ (Bi7Pb)2Sr2Ca2Cu3Ox, das nachfolgend als Ausführungsbeispiel angenommen
ist. Zur Herstellung eines entsprechenden HTS-Leiters kann vorteilhaft eine an sich bekannte Pulver-im-Rohr-Technik
zugrundegelegt werden (vgl. z. B. DE 44 44 937 A). Hierzu wird ein pulverförmiges Vorproduktmaterial,
das eine Ausbildung der gewünschten supraleitenden Phase ermöglicht, oder das bereits ausgebildete supraleitende Material
in ein erstes Hüllrohr eingebracht, dessen Material als Matrixmaterial für das fertige Endprodukt des Supraleiters
dient. Für das Hüllrohr wählt man vorzugsweise ein Basismaterial, das bei der Leiterherstellung keine unerwünschte Reaktion
mit den Komponenten des HTS-Materials wie mit Sauerstoff eingeht und das sich leicht verformen läßt. Deshalb
ist als Basismaterial besonders ein Ag-Material geeignet, das entweder Ag in reiner Form oder in Form einer Legierung
mit Ag als Hauptbestandteil (d. h. zu mehr als 50 Gew.-%) enthält. So ist z. B. reines Ag beispielsweise in Form von kalt-
verfestigtem Silber oder rekristallisiertem Silber verwendbar. Auch kann pulvermetallurgisch hergestelltes Silber vorgesehen
werden. Daneben ist auch dispersionsgehärtetes Silber geeignet.
Der Aufbau aus dem Hüllrohr und dem von ihm umschlossenen Kern z. B. aus dem Vorproduktmaterial des HTS-Materials
kann anschließend einer Abfolge von mehreren insbesondere querschnittsvermindernden Verformungsschritten
unterzogen werden, um ein Leiterelement mit dem verdichteten Vorproduktmaterial zu erhalten. Für die Verformungsschritte kommen alle bekannten Verfahren wie z. B. Strangpressen, Gesenkschmieden, Hämmern und Ziehen in Frage,
die auch miteinander kombiniert sein können. Diese mechanischen Behandlungen können sowohl bei Raumtemperatur
als auch bei erhöhter Temperatur durchgeführt werden. Nach diesen Verformungsschritten liegt dann das Leiterelement
in Form eines Verbundkörpers mit im allgemeinen kreisförmiger Querschnittsfläche vor.
Um zu einem Mehrkernleiter zu gelangen, wird in bekannter Weise eine Bündelung von mehreren solcher Leiterelemente
in einem größeren (zweiten) Hüllrohr insbesondere aus dem Matrixmaterial vorgenommen. Selbstverständlich
können auch andere vorgeformte oder gegebenenfalls vorgeglühte Leiter oder Leitervorprodukte in ein solches Hüllrohr
eingebracht werden. Der so gewonnene Aufbau kann anschließend noch weiter kompaktiert werden, bevor er einem mindestens
einen Walzschritt umfassenden Flachbearbeitungsprozeß unterzogen wird. Mit diesem Flachbearbeitungsprozeß
ist eine dem angestrebten Endprodukt zumindest weitgehend entsprechende Bandform zu erhalten. Der vor diesem
Flachbearbeitungsprozeß vorliegende Mehrkernaufbau sei nachfolgend als Rohleiter bezeichnet. Dieser Rohleiter muß
außer dem Flachbearbeitungsprozeß noch einer Wärme- oder Glühbehandlung unterzogen werden, die wenigstens einen,
im allgemeinen am Ende des Flachbearbeitungsprozesses vorzugsweise in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre wie z. B.
an Luft durchzuführenden (Abschluß-)Glühschritt umfaßt. Auf diese Weise ist dem Vorproduktmaterial der für die Ausbildung
der gewünschten supraleitenden Phase erforderliche Sauerstoff zur Verfügung zu stellen und/oder kann die Wiederherstellung
dieser Phase gewährleistet werden.
Im allgemeinen setzt sich der Flachbearbeitungsprozeß aus mehreren Walzschritten zusammen. Dabei kann in einem
ersten Walzschritt eine Grobverformung ohne Wärmebehandlung durchgeführt werden. Diesem ersten Walzschritt kann
sich dann eine sogenannte thermomechanische Behandlung anschließen. Unter einer solchen Behandlung wird eine Abfolge
von weiteren Walzschritten mit Zwischenglühungen zwischen diesen Schlitten und der erforderliche Abschlußglühschritt
verstanden. Gemäß der Erfindung sollen wenigstens einer dieser Walzschritte, vorzugsweise aber mehrere
Walzschritte mit Walzpaaren einer an sich bekannten Walzanlage vorgenommen werden, deren Walzen erfindungsgemäß
geformte Walzflächen aufweisen sollen, die im Walzbereich (= Erfassungsbereich des Walzgutes) jeweils eine konkave,
wenigstens annähernd kreisbogenförmige Kontur beschreiben. Ein entsprechender Walzprozeß mit zwei von derartigen,
auch als Kaliberwalzen bezeichneten Walzen auszuführenden Walzschritten sei nachfolgend anhand der Fig. 1 bis 3 skizziert:
Fig. 1 zeigt einen an sich bekannten Querschnitt (vgl. z. B. DE 196 21 070 A) durch einen erfindungsgemäß zu verformenden
Rohleiter 2, der durch eine Bündelungstechnik einer vorbestimmten Anzahl von Leiterelementen aufzubauen
ist. Jedes Leiterelement setzt sich dabei aus einem Hüllrohr zusammen, das einen z. B. pulverförmigen Kern aus einem
Vormaterial des HTS-Materials umschließt. Die Hüllrohr bilden zusammen mit einer sie umschließenden rohrförmigen
Umhüllung eine normalleitende Matrix, in die die Kerne aus dem HTS-Vormaterial eingebettet sind. Gemäß dem dargestellten
Ausführungsbeispiel wurde der Rohleiter 2 z. B. aus 61 Leiterelementen 3[ mit Kernen 4[ und Hüllrohren 5; in einer
rohrförmigen Umhüllung 6 durch Bündelungstechnik und Querschnittsverminderung und Kompaktierung des Aufbaus
erstellt. In der Figur sind der besseren Übersicht wegen die Umrisse der einzelnen Hüllrohre veranschaulicht, obwohl
diese bei der Verformung der Leiterelemente zu dem Rohleiter praktisch nicht mehr erkennbar sind.
Dieser Rohleiter wird dann einem Umformungsprozeß durch Walzen vorzugsweise mit mehreren Walzschritten unterzogen.
Zumindest ein Walzschritt der thermomechanischen Behandlung kann dabei erfindungsgemäß vorgenommen
werden. Vorteilhaft ist es jedoch, wenn bereits der wenigstens eine dieser thermomechanischen Behandlung vorgeschaltete
Walzschritt entsprechend durchgeführt wird. Gemäß Fig. 2 sei ein solcher Walzschritt angenommen. Die Figur zeigt
ein einen Walzspalt 7 begrenzendes Paar von Walzen 8 und 9. Diese Walzen haben dabei eine im wesentlichen zylinderförmige
Gestalt, wobei ihre äußeren Zylindermantelflächen 8a und 9a keinen durchgehend konstanten Kreisdurchmesser
wie üblich besitzen sollen. Vielmehr soll die Kontur 8b bzw. 9b der Mantelfläche im Walzbereich 7a konkav, wenigstens
annähernd kreisbogenförmig so verlaufen, daß sich dort ein zur Mittellinie M des Walzspaltes verjüngender Durchmesser
D der Walzen ergibt. Die Walzen liegen dabei außerhalb des Walzspaltes 7 aneinander an. Der mit derartigen Walzen
8 und 9 zu einem ersten Leiterzwischenprodukt flachgearbeitete Rohleiter (= Walzgut) ist in der Figur mit 2a bezeichnet.
Seine Querschnittsfläche q soll dabei nach dem Durchlaufen des Walzspaltes 7 zumindest weitgehend, vorzugsweise
mindestens 90% und insbesondere mehr als 95% der Fläche des Walzspaltes einnehmen. In der Figur ist angenommen,
daß der Querschnitt des Walzspaltes praktisch vollständig von dem Walzgut bzw. Leiterzwischenprodukt ausgefüllt wird.
Die Kontur 8b bzw. 9b der Zylindermantelflächen 8a bzw. 8b im Bereich des Walzspaltes wird jeweils durch einen mit
demselben Bezugszeichen versehenen Kreisbogenabschnitt eines Kreises mit dem Radius Rl bzw. Rl' festgelegt. Dabei
sind geringfügige Abweichungen der Radien über die Bogenlinie gesehen mit eingeschlossen. D. h., die Kontur jeder
Zylindermantelfläche im Walzspalt soll durch eine Linie beschreibbar sein, die zwischen zwei konzentrischen Kreisen
liegt, wobei der äußere Kreis höchstens um 10% größer als der von ihm eingeschlossene innere Kreis gewählt ist.
Die konkrete Wahl der Größen der im allgemeinen gleichen Radien Rl und Rl' der beiden Kreisbogenabschnitte mit
den Konturen 8b und 9b hängt dabei unter anderem insbesondere von dem jeweiligen Verformungsgrad und der Querschnittsform
des zu walzenden Körpers bzw. Walzgutes ab. Dabei kann es gegebenenfalls vorteilhaft sein, wenn man ein
Walzgut mit zunächst kreisförmigem Querschnitt wie z. B. den Rohleiter 2 in einem ersten Verformungsschritt mit Walzen
verformt, deren Konturkreisbögen jeweils einen kleineren Radius Rl bzw. Rl' haben, während man für mindestens
einen späteren Walzschritt einen größeren Radius vorsieht. Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung
zugrundegelegt. D. h., bei dem in Fig. 3 angedeuteten Walzschritt ist der Radius R2 bzw. R2' um einen vorbestimmten
Faktor, beispielsweise um einen Faktor 2, größer gewählt gegenüber den Radien Rl bzw. Rl' nach Fig. 2. Selbstverständlich
sind insbesondere für mehr als zwei Walzschritte auch andere Vergrößerungsfaktoren der Radien wählbar. Das nach
einem zweimaligen Walzen aus dem Rohleiter hervorgegangene zweite Leiterzwischenprodukt ist in Fig. 3 mit 2b be-
zeichnet, während die Walzen mit 18 und 19, deren durch Kreisbogenabschnitte gebildete Konturen mit 18b und 19b sowie
der zwischen ihnen ausgebildete Walzspalt mit 17 bezeichnet sind.
Am Ende eines Flachbearbeitungsprozesses mit Walzen mit der erfindungsgemäßen Kreisbogenkontur ist noch ein
Flachbearbeitungsschritt mit zylinderförmigen Walzen mit zumindest im Mittelbereich konstantem Durchmesser im
Walzbereich denkbar. Entsprechend abgeflachte Leiter ermöglichen einen Aufbau aus mehreren übereinanderliegenden
Leitern mit hoher Packungsdichte. Wie aus Fig. 4 entnehmbar ist, kann auch hier aus Gründen einer weitgehend gleichmäßigen
Verformung in den seitlichen Randbereichen des Leiters eine Kontur der Walzflächen derart vorgesehen werden,
daß der Walzspalt seitlich durch die Walzen geschlossen ist und sich nach den seitlichen Rändern hin verjüngt. Gemäß
Fig. 4 weist jede der einen Walzspalt 27 begrenzenden Konturen 28b und 29b zweier Walzen 28 und 29 einen geraden,
ungekrümmten Teil kl bzw. kl' und zwei dazu schräg verlaufende Seitenteile k2 und k3 bzw. k2' und k3' auf. Ein
entsprechendes Leiterendprodukt 2c besitzt somit eine Querschnittsfläche, die durch einen rechteckigen Mittelbereich 21
und zwei dreiecksförmige Randbereiche 22 und 23 beschreibbar ist, wobei die spitz aufeinander zu laufenden Seitenteile
k2, k2' bzw. k3, k3' die Randbereiche begrenzen.
Für das erfindungsgemäße Verfahren unter Einplanung mehrerer Walzschritte bzw. Stiche sollte eine Reihe an sich üblicherweise
eingehaltener Randbedingungen berücksichtigt werden. Dies sind insbesondere
- der Ausgangsdurchmesser des Rohleiters 2,
- die gewünschte Endgeometrie des Leiterendproduktes,
- die Anzahl der Walzschritte bzw. Stiche und
- der Umformungsgrad pro Stich.
Unter Berücksichtigung dieser Randbedingungen werden die Geometrien der einzelnen Walzen gewählt. Dabei ist zu
beachten, daß sich die Querschnittskontur der Kaliberwalzen, die sich immer auf eine Walzenseite bezieht, stets nach der
des vorhergehenden Stiches richten muß.
Vorzugsweise sollten
- die Schnittpunkte der Umfangslinien bzw. die Schnittpunkte der angelegten Tangenten zweier aufeinanderfolgenden
Stiche vom Mittelpunkt, d. h. dem Schnittpunkt aus horizontaler und vertikaler Symmetrielinie ausgehend
zu beiden Seiten der vertikalen Symmetrielinie einen Abstand von mindestens 50% der Breite des zweiten Stiches
aufweisen,
- der Winkel, der von den Konturen bzw. deren Tangenten im Schnittpunkt der Kreisbogenlinien eingeschlossen
wird, höchstens 45° betragen,
- zwischen den beiden Schnittpunkten von Querschnittskonturen zweier aufeinanderfolgender Stiche die Kontur
des zweiten Stiches vollkommen innerhalb der des ersten liegen und
- der Winkel, den die horizontale Symmetrielinie im Schnittpunkt mit der Walzkontur bzw. der dort angelegten
Tangente einschließt, mit jedem folgenden Stich um mindestens 10% geringer sein als beim vorhergehenden Stich.
Bei den anhand der Fig. 5 bis 7 nachfolgend erläuterten Ausführungsbeispielen sind diese Randbedingungen eingehalten.
Fig. 5 zeigt als Ausführungsbeispiel die Konturen der Walzspalte bzw. des Walzgutes zu einer erfindungsgemäßen
Herstellung eines bandförmigen Multifilamentsupraleiters in einem Maßstab von etwa 25 : 1. Die sich dabei nacheinander
ergebenden Konturen sind mit A, B, C, D, E und F bezeichnet. Von einem beispielsweise 3 mm-Runddraht als Rohleiter
(Kontur A) ausgehend möchte man in fünf Walzschritten bzw. Stichen (B, C, D, E, F), den in jeweils eine Dickenreduktion
von etwa 0,45 mm zugeordnet ist, ein bandförmiges Leiterendprodukt herstellen, dessen Breite 6 mm und dessen
Dicke 0,75 mm betragen (Kontur F). Die Zunahme der Bandleiterbreite soll hier etwa 0,6 mm pro Strich ausmachen.
In der Abfolge B-C-D-E-F wird das Walzgut durch verschiedene Geometrien von Kaliberwalzen in die Bandform gebracht.
Die Querschnitte der einzelnen Kaliber bei B, C, D und E beschreiben Kreissegmente, welche durch die jeweilige
Dickenreduktion (z. B. für B: y) und die vorgegebene Breitung (z. B. für B: ζ bzw. z') festgelegt sind. Die horizontale
Symmetrielinie stellt die Begrenzung des Kreissektors dar. Die ermittelten Kreismittelpunkte, die auf der vertikalen
Symmetrielinie liegen, sind mit M^ bis M5 gekennzeichnet, wobei mit Mg der Kreismittelpunkt des Rohleiters 2 (Kontur
A) bezeichnet ist. Für die Umformung F besteht die Form der Walzen gemäß Fig. 4 aus einem zylindrischen Anteil, der
sich etwa über die Breite des Ausgangsrunddrahtes (hier 3 mm) erstreckt und anschließend beidseitig bis zur vorgegebenen
Endbreite spitz zuläuft. Bis zu welchem Punkt sich der zylindrische Anteil erstreckt und in welchem Winkel die Endspitzen
zulaufen, ergibt sich aus den jeweiligen Randparametern.
In Fig. 6 ist eine entsprechende Verformung eines Rohleiters mit 1,35 mm Radius in 5 Walzschritten zu einem 3 mm
breiten und 0,3 mm dicken Leiterendprodukt eines bandförmigen Multifilamentsupraleiters nach der Erfindung in einzelnen
aneinandergefügten Querschnittsbildern veranschaulicht. In dieser Figur sind ferner die einzelnen Abmessungen der
Breite b und Dicke d des Walzgutes bzw. die entsprechenden Abmessungen des jeweils zugeordneten Walzspaltes 7,17,
27 angegeben. Diese Werte sind gesondert auch in der nachfolgenden Tabelle aufgeführt, wobei die Stichbezeichnung
aus Fig. 5 übernommen ist:
Stichbezeich | A ' ■ | d [Dicke] | b [Breite] | R [Radius] | χ [Mittel |
nung/Wal zspaltkon | B | punktsver | |||
türen | C | schiebung] | |||
D . | 1,35 | 1,35 | 0, 68 | 0,00 | |
E | 1,14 | 1,68 | 0,90 | 0,33 | |
F | ■ 0,93 | 2,01 | 1,32 | 0,85 - | |
0,72 | 2,34 | 2,08 | 1,72 | ||
0,51 | 2, 67 | 3, 62 | 3,37 | ||
0/30 | 3,00 | -. | - |
Fig. 7 zeigt die zugehörenden Radien R der Kreisbogenabschnitte der einzelnen Walzspalte.
Für die Serie von Walzschritten B bis E nach den Fig. 6 und 7 lassen sich vorteilhaft die folgenden Beziehungen angeben:
In den Beziehungen bedeuten:
R = Radius der Kreisbogenkontur des nächsten Walzschrittes,
b = Breite des zu walzenden Objektes (Walzgutes),
d = Dicke des zu walzenden Objektes (Walzgutes),
b = Breite des zu walzenden Objektes (Walzgutes),
d = Dicke des zu walzenden Objektes (Walzgutes),
χ = Abstand des Kreismittelpunktes der Kreisbogenkontur vom Mittelpunkt des Walzgutes bzw. Walzspaltes (= Mittelpunktsverschiebung)
.
Bei den vorstehend erläuterten Ausführungsbeispielen wurde davon ausgegangen, daß der Walzprozeß aus mindestens
zwei Walzschritten besteht, wobei die hierfür erforderlichen Walzenpaare abgesehen von den Einschnürungen ihrer
Durchmesser in ihrem Mittelbereich des Walzspaltes gleiche Durchmesser haben. Selbstverständlich können sich die
einzelnen Walzschritte auch mit Walzenpaaren durchführen lassen, die sich von Schritt zu Schritt hinsichtlich des Durchmessers
unterscheiden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es zwar im Hinblick auf fertigungstechnische Gesichtspunkte besonders
vorteilhaft, wenn man einen Rohleiter mit kreisförmigem Querschnitt vorsieht, der dann einem Walzen gemäß der Erfindung
unterzogen wird. Selbstverständlich ist das erfindungsgemäße Verfahren nicht auf eine derartige Querschnittsform
eines Rohleiters beschränkt. Auch kann auf die abschließende Abflachung des mehrfach erfindungsgemäß gewalzten
Leiters gegebenenfalls verzichtet werden.
Claims (14)
1. Verfahren zur Herstellung eines bandförmigen Supraleiters mit mehreren Leiterkernen, welche ein Supraleitermaterial
mit einer metalloxidischen Hoch-Tc-Phase aufweisen und von einem normalleitenden Material umgeben
sind, bei welchem Verfahren ein Leitervorprodukt mit von dem normalleitenden Material umgebenen, pulverförmigen
Vormaterial des Supraleitermaterials erstellt wird und dieses Leitervorprodukt einem querschnittsvermindernden,
das Vormaterial verdichtenden Verformungsprozeß und mindestens einer Glühbehandlung unterzogen wird,
wobei der Verformungsprozeß mindestens einen Schritt zum Flachbearbeiten eines aus dem Leitervorprodukt gebildeten
Rohleiters umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß als ein Walzgut der Rohleiter (2) oder ein daraus geformtes
Leiterzwischenprodukt in wenigstens einem Walzschritt (B bis E) durch einen Walzspalt (7, 17) geführt
wird, dessen Querschnittsfläche (q) durch zwei Bogenlinien umrandet ist, die zumindest weitgehend zwei Kreisbogenabschnitten
(8b, 9b bzw. 18b, 19b) mit vorbestimmtem Kreisradius (Rl, Rl' bzw. R2, R2') entsprechen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch wenigstens einen Walzschritt in einem Walzspalt (7,17), dessen
Querschnittsfläche durch zwei Bogenlinien umrandet ist, welche jeweils zwischen zwei konzentrischen Kreislinien
mit vorbestimmten Kreisradien liegen, wobei der Kreisradius der jeweils äußeren Kreislinie höchstens um
10% größer ist als der Kreisradius der von ihr eingeschlossenen inneren Kreislinie.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Querschnittsfläche (q) derart vorgesehen
wird, daß das Walzgut nach dem Durchlaufen des Walzspaltes (7, 17) zumindest weitgehend die Querschnittsform
des Walzspaltes angenommen hat.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Walzschritte (B bis
E) vorgesehen werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Walzgut durch mindestens zwei Walzspalte (7,17)
geführt wird, wobei die Kreisbogenabschnitte (8b, 9b) des ersten Walzspaltes (7) einen kleineren Kreisradius (Rl,
Rl') aufweisen als die Kreisbogenabschnitte (18b, 19b) des nachfolgenden Walzspaltes (17).
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem wenigstens einen
Walzschritt (B bis E) ein abschließender Walzschritt (F) vorgesehen wird, bei dem das Walzgut mit einem Querschnitt
versehen wird, der einen geraden, ungekrümmten Mittelbereich (21) und sich daran seitlich anschließende,
spitz zulaufende Randbereiche (22, 23) enthält (Fig. 4).
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens vier Walzabschnitte
(B bis E) mit von Kreisbogenabschnitten gebildeter Kontur des jeweiligen Walzspaltes vorgesehen werden,
für die folgende Beziehungen gelten:
und
1 (b'-d1
x= —
A K. d
wobei R der Radius der Kreisbogenkontur des nächsten Walzschrittes, b die Breite des Walzgutes, d die Dicke des
Walzgutes und χ der Abstand des Kreismittelpunktes der Kreisbögen vom Mittelpunkt des Walzgutes sind.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Walzgut (2) mit kreisförmigem
Querschnitt (A) dem wenigstens einen Walzschritt (B bis E) unterzogen wird.
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Leitervorprodukt nach
einer Pulver-im-Rohr-Technik erstellt wird und der Rohleiter (2) mit einem Bündel aus solchen Leitervorprodukten
gebildet wird.
10. Bandförmiger Mehrkernleiter, hergestellt mit einem Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet
durch eine Querschnittsform mit seitlich spitz zulaufenden Randbereichen (22, 23).
11. Supraleiter nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch Leiterkerne mit einer Hoch-Tc-Phase vom 2223-Typ eines
supraleitenden Bi-Cupratmaterials.
12. Supraleiter nach Anspruch 10 oder 11, gekennzeichnet durch normalleitendes Material aus Ag oder aus einem
Ag-haltigen Material.
13. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Herstellung eines bandförmigen
Supraleiters mit mehreren Leiterkernen, welche ein Supraleitermaterial mit einer metalloxidischen Hoch-Tc-Phase
aufweisen und von einem normalleitenden Material umgeben sind, bei welchem Verfahren ein Leitervorprodukt
mit von dem normalleitenden Material umgebenen, pulverförmigen Vormaterial des Supraleitermaterials erstellt
wird und dieses Leitervorprodukt einem querschnittsvermindernden, das Vormaterial verdichtenden Verformungsprozeß
und mindestens einer Glühbehandlung unterzogen wird, wobei der Verformungsprozeß mindestens
einen Schritt zum Flachbearbeiten eines aus dem Leitervorprodukt gebildeten Rohleiters umfaßt und als ein Walzgut
der Rohleiter oder ein daraus geformtes Leiterzwischenprodukt in wenigstens einem Walzschritt durch einen
Walzspalt geführt wird, gekennzeichnet durch einen Walzspalt (7, 17), dessen Querschnittsfläche (q) durch zwei
Bogenlinien umrandet ist, die zumindest weitgehend zwei Kreisbogenabschnitten (8b, 9b bzw. 18b, 19b) mit vorbestimmtem
Kreisradius (Rl, Rl' bzw. R2, R2') entsprechen, und durch mindestens ein den Walzspalt (7,17) vollständig
umschließendes Walzenpaar (8, 9 bzw. 18,19).
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch mehrere, jeweils einen Walzspalt (7,17) umschließende
Walzenpaare (8, 9 bzw. 18, 19), wobei die Querschnittsfläche (q) des folgenden Walzspaltes um mindestens 10%
kleiner ist als die des vorangehenden.
50
Hierzu 4 Seite(n) Zeichnungen
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