DE2311875B2

DE2311875B2 - Verfahren zum herstellen eines rohrfoermigen leiters, insbesondere fuer supraleitende kabel

Info

Publication number: DE2311875B2
Application number: DE19732311875
Authority: DE
Inventors: Heinrich Dr.; Müsebeck Horst; 8520 Erlangen Diepers
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1973-03-09
Filing date: 1973-03-09
Publication date: 1976-03-11
Also published as: GB1439442A; FR2220851A1; CH564824A5; JPS49127594A; CA994712A; FR2220851B1; US3900947A; DE2311875A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines rohrförmigen, aus einer Niobschicht und einer Kupferschicht bestehenden Leiters, insbesondere für

supraleitende Kabel, bei dem auf eine Seite eines

Niobrohres eine durch ein Stützrohr gehaltene Schicht aus Elektrolytkupfer bei senkrecht stehender Rohrachse

unter Vakuum aufgeschmolzen wird.

Niob eignet sich bekanntlich hervorragend als

Supraleitermaterial für supraleitende Kabel zur Übertragung großer elektrischer Energien, insbesondere für supraleitende Wechsel- und Drehstromkabel. Es besitzt nämlich ein sehr hohes unteres kritisches Magnetfeld Hc\ von etwa 120 000 A/m und weist verhältnismäßig niedrige Wechselstromverluste auf, solange dieses kritische Magnetfeld nicht überschritten wird. Das Niob kann bei derartigen supraleitenden Kabeln vorteilhaft in Form einer dünnen Schicht verwendet werden, die auf einem rohrförmigen Träger aus einem Metall, wie Kupfer, aufgebracht ist, das bei der zur Aufrechterhaltung der Supraleitfähigkeit des Niobs erforderlichen Temperatur von beispielsweise etwa 4 bis 5 K gut elektrisch normalleitend ist und eine hohe thermische Leitfähigkeit besitzt. Für supraleitende Wechsel- und

Drehstromkabel erscheint es dabei besonders günstig, derartige Kupferrohre, die außen oder innen mit einer Niobschicht versehen sind, koaxial zueinander anzuordnen. Vorzugsweise befindet sich die Niobschicht dabei auf der Außenseite des Innenrohres und auf der Innenseite des Außenrohres eines koaxialen Leiterpaares. Bei Verwendung des Innenrohres als Hin- und des Außenrohres als Rückleiter kann dann erreicht werden, daß die elektrischen und magnetischen Felder nur im Räume zwischen den Niobschichten auftreten und die Kupferrohre feldfrei bleiben, so daß in ihnen keine Wirbelstromverluste auftreten können. Beim Betrieb des Kabels kann insbesondere innerhalb des rohrförmigen Innenleiters und an der Außenseite des rohrförmigen Außenleiters ein Kühlmittel, wie flüssiges Helium, entlangströmen, das dann in unmittelbarem Kontakt mit der Kupferoberfläche jedes Rohres steht (»Elektrotechnische Zeitschrift - Ausgabe A«, Bd. 92 [1971], S. 740 bis 745).

Das Kupfer dient bei derartigen aus einer Niob- und einer Kupferschicht bestehenden rohrförmigen Leitern insbesondere zur elektrischen Stabilisierung des supraleitenden Niobs, indem es den im supraleitenden Niob fließenden Strom beim Übergang des Niobs vom supraleitenden in den elektrisch normalleitenden

Zustand, beispielsweise im Falle einer Überlastung, wenigstens teilweise übernimmt und die dabei oder durch Wechselstromverluste im Niob entstehende Verlustwärme an das angrenzende Kühlmittel ableitet. Zu diesem Zweck ist ein möglichst enger elektrischer und thermischer Kontakt zwischen der Niobschicht und dem Kupfer erforderlich. Ferner soll die Oberfläche der Niobschicht möglichst glatt und frei von Störungen sein, da die auch im supraleitenden Zustand im Niob

auftretenden Wechselstromverluste insbesondere mit wachsender Oberflächenrauhigkeit des Niobs verhältnismäßig stark zunehmen. Da unterhalb der kritischen Feldstärke Ha der in der supraleitenden Niobschicht fließende Strom nur in einer dünner Oberflächenschicht des Niobs fließt, die weniger als etwa 0,1 μπι dick ist, kann die Niobschicht verhältnismäßig dünn ausgebildet werden und beispielsweise eine Dicke zwischen eiwa 0,1 und 0,01 cm haben. Dies ist im Sinne einer Materialersparnis von Vorteil.

Die Herstellung von rohrförmigen, aus einer Niob- und einer Kupferschicht bestehenden Leitern ist nun aber mit erheblichen Schwierigkeiten verbunden, da nur sehr schwer ein guter elektrischer und thermischer Kontakt zwischen Niob und Kupfer zu erzielen ist und a'ich die mechanische Verbindung zwischen Niob und Kupfer beispielsweise bei Verformungen leicht reißt, wobei die Niobschicht von der Kupferschicht abplatzt. Die für möglichst kleine Wechselstromverluste erforderlichen guten Oberflächeneigenschaften der Niobschicht bereiten dabei zusätzliche Probleme.

Durch einen Aufsatz von Mellors und Senderoff in »Journal of the Electrochemical Society«, Bd. 112 (1965), S. 266 bis 272, ist es zwar bekannt, daß sich mittels Schmelzflußelektrolyse aus einer Schmelze, die im wesentlichen aus Alkalifluoriden und einem Niobfluorid besteht, auf einem geeigneten Träger, wie Kupfer, verhältnismäßig reine und gut haftende Niobsch:chten abscheiden lassen. Eine Niobabscheidung auf Kupferrohren in großen Längen, wie sie für Kabel zur Vermeidung unnötiger Schweißstellen erforderlich sind, bringt auch nach diesem Verfahren jedoch erhebliche Schwierigkeiten mit sich. Die zu beschichtenden Rohre müßten nämlich in den auf einer Temperatur von wenigstens etwa 740° C befindlichen geschmolzenen Elektrolyten vakuumdicht eingeschleust werden. Außerdem würde bei einem schmelzflußelektrolytischen Beschichtungsverfahren das Aufbringen einer Niobschicht auf der Innenseite eines Kupferrohres wegen deren schlechter Zugänglichkeit noch zusätzliche Probleme mit sich bringen.

In der deutschen Offenlegungsschrift 21 41 636 ist bereits ein Verfahren zur Herstellung von rohrförmigen, aus einer Niobschicht und einer Kupferschicht bestehenden Leitern vorgeschlagen worden, bei dem zunächst ein aus einer Niobschicht und einer Kupferschicht bestehendes Band hergestellt wird, das an den Bandkanten mit Niobstegen versehen ist. Dieses Band wird dann derart zu einem Rohr gebogen, daß die an beiden Bandkanten befindlichen Niobstege aneinanderstoßen. Anschließend werden die Niobstege vorzugsweise mittels Elektronenstrahlschweißens miteinander verbunden. Dieses Verfahren, das ein mit einer Schweißnaht versehenes Rohr liefert, ist zwar zur Herstellung von aus einer Niob- und einer Kupferschicht bestehenden Rohren für supraleitende Kabel gut geeignet aber insbesondere wegen des erforderlichen Biege- und Schweißvorganges noch verhältnismäßig aufwendig.

Ein ähnliches Verfahren ist auch in einem Aufsatz in »Cryogenics«, August 1972, S. 317 bis 318, beschrieben. Aus diesem Aufsatz ist es auch bekannt, daß man rohrförmige Leiter aus einem beidseitig mit Niob beschichteten Rohr aus OFHC-Kupfer nahtlos dadurch herstellen kann, daß man die drei erwähnten, koaxial zueinander angeordneten Schichten zur metallurgischen Verbindung des Niobs mit dem Kupfer zunächst gemeinsam extrudiert und dann den rohrförmigen Leiter auf seine Endabmessungen zieht. Nähere Einzelheiten über die Verfahrensbedingungen sind in dem Aufsatz nicht angegeben. Abgesehen davon, daß s'ch bei einem so hergestellten Leiter unnötigerweise Niobschichten sowohl auf der Innenseite als auch auf der Außenseite des Kupferrohres befinden, ist die Koextrusion der Ausgangsanordnung aus den drei koaxialen Schichten eine umständliche und aufwendige Maßnahme.

Ferner ist aus der DT-OS 19 16 292 ein Verfahren zum Herstellen eines aus einer Niobschicht und einer Kupferschicht bestehenden rohrförmigen Bauteils bekannt, bei dem auf eine Seite eines an der Oberfläche metallisch reinen Niobrohres eine durch ein Stützrohr gehaltene Schicht aus wenigstens an der Oberfläche metallisch reinem Kupfer bei senkrecht stehender Rohrachse unter Vakuum aufgeschmolzen wird. Die Kupferschicht kann dabei aus massivem Kupfer bestehen oder galvanisch auf dem Niobrohr abgeschieden werden. Das Kupfer wird insgesamt vom Niobrohr her aufgeschmolzen und ohne besondere Vorkehrungen einfach durch Abkühlen erstarren gelassen. Ferner ist bei diesem bekannten Verfahren für das Vakuum ein Restgasdruck von höchstens 10-* Torr vorgeschrieben, Eine weitere Verformung des so hergestellten Rohrstücks ist nicht vorgesehen. Auch dieses Verfahren ist verhältnismäßig aufwendig und zur Herstellung längerer rohrförmiger Leiter wenig geeignet.

Aufgabe der Erfindung ist es, das Herstellen von nahtlosen, rohrförmigen, aus einer Niob- und einer Kupferschicht bestehenden Leitern weiter zu vereinfachen und zu verbessern. Insbesondere soll auch eine möglichst einfache Herstellung solcher rohrförmiger Leiter in größeren Längen ermöglicht werden, wie sie insbesondere für supraleitende Kabel erforderlich sind.

Bei dem eingangs erwähnten Verfahren wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß unter Vakuum mit einem Restgasdruck von höchstens \0~^< Torr das Kupfer nur in einer schmalen Zone aufgeschmolzen und diese vom unteren zum oberen Rohrende bewegt bzw. das geschmolzene Kupfer vom unteren Rohrende her erstarren gelassen wird und daG das so hergestellte, aus einer Niob- und einer Kupferschicht bestehende Rohrstück unter Verwendung von Ziehhilfen in mehreren den Außendurchmesser und die Wandstärke des Rohres verringernden Kaltziehschritten zu einem längeren Rohr ausgezogen wird.

Durch das Aufschmelzen von Elektrolytkupfer aul das Niobrohr unter einem Vakuum mit einem Restgasdruck von höchstens ΙΟ-⁴ Torr wird eine hervorragende thermische, elektrische und mechanische Verbindung zwischen dem Niob und dem Kupfer erreicht, die auch während der beim anschließenden Kaltziehen auftretenden verhältnismäßig starken Verformungen erhalten bleibt. Bei Ziehversuchen mil Niobrohren, auf die normales Kupfer aufgeschmolzen worden war oder bei denen das Aufschmelzen untei einem schlechteren Vakuum erfolgt war, wurder dagegen keine brauchbaren Ergebnisse erzielt, da die Niobschicht vom Kupfer beim Ziehen regelmäßig abplatzte. Daß ein Vakuum mit einem Restgasdruck bis zu ΙΟ"⁴ Torr zulässig und nicht ein Vakuum mit einerr Restgasdruck von höchstens 10-⁶ Torr erforderlich ist bedeutet eine wesentliche verfahrenstechnische Erleichterung.

Unter Elektrolytkupfer ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung das unter dieser Bezeichnung handelsüb

liehe durch Elektrolyse gereinigte, insbesondere mehrfach elektrolysierte Kupfer zu verstehen, das vorzugsweise auch einen geringen Sauerstoffgehalt aufweist, also als sauerstoffarm zu bezeichnen ist. Das Restwiderstandsverhältnis solcher für das erfindungsgemäße Verfahren geeigneter Kupfersorten, d. h. der Quotient aus dem spezifischen Widerstand des Kupfers bei Raumtemperatur und dem spezifischen Widerstand bei einer Temperatur von 4,2 K beträgt ohne äußeres Magnetfeld üblicherweise wenigstens etwa 400, vorzugsweise etwa 800 und mehr.

Daß bei senkrecht stehender Rohrachse das Kupfer nur in einer schmalen Zone aufgeschmolzen und diese vom unteren zum oberen Rohrende bewegt wird bzw. daß das geschmolzene Kupfer vom unteren Rohrende her erstarren gelassen wird, ist von besonderer Bedeutung, da hierdurch die Bildung von Lunkern innerhalb der Kupferschicht oder an der Grenze zwischen Niob und Kupfer vermieden wird. Solche Lunker würden den anschließenden Ziehprozeß erheblich stören, da sie leicht ein Abplatzen der Niobschicht oder ein Aufplatzen des Rohres beim Ziehen zur Folge haben können. Durch das Stützrohr, das beispielsweise aus Nickel oder V2A-Stahl bestehen kann, wird ein Weglaufen des geschmolzenen Kupfers verhindert.

Um eine zu starke Beanspruchung der beim Aufschmelzen des Kupfers auf das Niobrohr erzielten Verbindung zwischen beiden Metallen zu vermeiden, wird beim Ziehen die Wandstärke des Rohres pro Zug vorzugsweise höchstens um etwa 20% verringert. Besonders vorteilhaft im Sinne einer nicht zu starken Materialbeanspruchung einerseits und einer rationellen Fertigung andererseits ist es, wenn die Wandstärke des Rohres pro Zug um 10% verringert wird.

Zur Herstellung des aus einer Niob- und einer Kupferschicht bestehenden Rohrstücks können vorteilhaft ein dünnerwandiges Niobrohr und ein dickerwandiges Kupferrohr ineinandergesteckt werden, wobei die vom Niob abgewandte Kupferoberfläche mit dem Stützrohr versehen wird. Das Kupferrohr kann dann in einer schmalen Zone aufgeschmolzen werden, die vom unteren zum oberen Rohrende bewegt wird. Man kann aber auch das Kupferrohr vollständig aufschmelzen und dann vom unteren Rohrende her erstarren lassen, indem man beispielsweise das Rohr aus einem rohrförmigen Schmelzofen in eine darunter befindliche kühlere Zone absenkt

Eine andere verteilhafte Möglichkeit zur Herstellung des aus einer Niob- und einer Kupferschicht bestehenden Rohrstücks unter Vermeidung von Lunkern besteht darin, daß zunächst eine zylindermantelförmige, doppelwandige Gießform gebildet wird, deren eine Wand aus dem Niobrohr und deren andere Wand aus einem Stützrohr besteht, und daß das geschmolzene Kupfer unter Vakuum in die kalte Gießform eingegossen wird. Das Kupfer erstarrt dann in der Gießform von unten nach oben.

Das Stützrohr, das bei der Herstellung des Rohrstücks das Ablaufen des geschmolzenen Kupfers verhindert, wird zweckmäßigerweise vor dem Ziehen, beispielsweise durch Abdrehen, entfernt

Durch das Aufschmelzen einer Kupferschicht unter Vakuum auf das Niobrohr kann sowohl ein Rohrstück hergestellt werden, bei dem sich die Niobschicht außen auf dem Kupfer befindet als auch ein Rohrstück, bei dem sich die Niobschicht an der Innenseite befindet

Wie bereits erwähnt, ist beim erfindungsgemäßen Verfahren für das Ziehen auch eine Ziehhilfe erforderlich. Diese dient insbesondere dazu, eine zu starke Beanspruchung und Erwärmung des Metalls infolge der beispielsweise an den Ziehsteinen auftretenden Reibung zu vermeiden. Eine zu starke Erwärmung insbesondere der Niobschicht könnte zur Aufnahme von Luftsauerstoff durch die Niobschicht und damit zu einer Versprödung dieser Schicht führen.

Als Ziehhilfe für die Kupferseite des Rohres genügt übliches Ziehöl. Auf die Niobschicht des Rohres, die zur

ίο Vermeidung von Wechselstromverlusten möglichst glatt und störungsfrei sein soll und auch schwerer verformbar ist als die Kupferschicht, wird dagegen beim Ziehen vorteilhaft eine andere Ziehhilfe aufgebracht. Insbesondere eignet sich eine Lackgleitschicht, vorzugsweise aus Zaponlack oder anderen schnell trocknenden Nitrocelluloselacken. Beim Ziehen längerer Rohre sollte dabei auf eine gute Kühlung der Ziehsteine geachtet werden, damit der Lack sich nicht erwärmt. Weiter hai sich als Ziehhilfe auch eine Niobpentoxidschicht als gut geeignet erwiesen, die auf der Oberfläche der Niobschicht durch anodische Oxidation, beispielsweise in 25%iger wäßriger Ammoniaklösung, gebildet wird Ferner kann als Ziehhilfe auf die Niobseite des Rohres auch ein seifiges Schmiermittel, insbesondere Zinkstearat, aufgebracht werden. Zusätzlich zu diesen Ziehhilfen die jeweils nach wenigen Ziehschritten nach erforderlichenfalls vorheriger Ablösung erneuert werden müssen kann als Ziehhilfe auch noch Ziehöl verwendet werden. Wegen des besonders einfachen Herstellungsverfahrens ist es besonders günstig, wenn das aus einer Niob- und einer Kupferschicht bestehende Rohr über einen runden Stabdorn gezogen wird. Auf der Niobschichl müssen dann die erwähnten Ziehhilfen, wie Lacke Niobpentoxidschicht oder seifiges Schmiermittel, nur dann angebracht werden, wenn sie die Außenseite des Rohres bildet, die mit dem Ziehstein in Berührung kommt. Falls die Niobschicht den Innenmantel de; Rohres bildet, braucht dagegen zwischen dem Stabdorr und der Niobschicht nur Ziehöl als Ziehhilfe vorgesehen zu werden. Dies ist von besonderem Vorteil, da insbesondere bei nach mehreren Ziehschritten länger werdendem Rohr die innenlicgende Nioboberfläche für das Aufbringen von Ziehhilfen immer schwerer zugänglich wird. Wenn man dagegen das Rohr, was ebenfalls möglich ist, mit Hilfe eines sogenannter schwimmenden oder fliegenden Doms zieht, muß die Niobschicht auch wenn sie an der Innenseite des Rohre; liegt, mit einer der erwähnten Ziehhilfen verseher werden. Als Ziehhilfe für die Kupferschicht genügt dagegen Ziehöl, unabhängig davon, ob sie die Innen oder die Außenseite des Rohres bildet Bei innenliegen der Kupferschicht und Ziehen über einen runder Stabdorn wird vorteilhaft auch zwischen der Kupfer schicht und dem Stabdorn Ziehöl als Ziehhilfi vorgesehen.

An Hand einiger Figuren und Ausführungsbeispiele soll die Erfindung noch näher erläutert werden.

F i g. 1 und 3 zeigen schematisch verschiedene Möglichkeiten zur Herstellung des aus der Niob- unc der Kupferschicht bestehenden Rohrstückes;

Fig.2 und 4 verschiedene Möglichkeiten zurr Ausziehen eines solchen Rohrstückes zu einem längerer Rohr.

Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßer Verfahrens werden, wie F i g. 1 zeigt ein dünnerwandi ges Niobrohr 1 mit einer Wandstärke von beispielswei se etwa 2 mm und ein dickerwandiges Kupferrohr 2 mi einer Wandstärke von beispielsweise 20 mm ineinan

dergestellt. Der Innendurchmesser des Innenrohres beträgt dabei beispielsweise etwa 40 mm, die Länge der beiden Rohre etwa 500 mm. Auf die vom Niob abgewandte Oberfläche des Kupferrohres wird dann ein Stützrohr 3 aus V2A-Stahl aufgeschoben. Die Unterseite des in dieser Weise zusammengesetzten Rohrstückes wird mit einem Stützring 4, beispielsweise aus Niob oder V2A-Stahl versehen. Das mit dem Stützring versehene Rohrstück wird dann in eine in F i g. 1 nur schematisch dargestellte Vakuumkammer 5 gebracht, die über einen Rohrstutzen 6 so lange evakuiert wird, bis ein Vakuum mit einem Restgasdruck von ΙΟ-⁴ Torr oder weniger erreicht ist. Anschließend wird mit Hilfe einer Hochfrequenzheizspule 7 am unteren Teil des Kupferrohres 2 eine schmale Zone aufgeschmolzen und diese Schmelzzone dann von unten nach oben langsam durch das Kupferrohr hindurchbewegt, indem das aus den Rohren t bis 3 zusammengesetzte Teil langsam in Richtung der Pfeile 8 durch die Hochfrequenzheizspule 7 hindurch nach unten bewegt wird oder indem die Hochfrequenzheizspule 7 am feststehenden Rohrstück entlang nach oben bewegt wird. Zur Erzielung einer festen Verbindung zwischen Niob und Kupfer genügt es dabei, wenn das Niobmaterial des Niobrohres 1 jeweils einige Sekunden mit dem innerhalb der Schmelzzone vorhandenen, geschmolzenen Kupfer in Berührung steht. Nach dem Erkalten wird das Rohrstück aus der Vakuumkammer herausgenommen und das Stützrohr 3 beispielsweise durch Abdrehen entfernt.

Das aus der Niobschicht 1 und der Kupferschicht 2 bestehende Rohrstück wird dann beispielweise, wie F i g. 2 zeigt, auf einen runden Stabdorn 11 aufgebracht, der beispielsweise aus gehärtetem Stahl bestehen kann, und über diesen Stabdorn 11, der in Richtung des Pfeiles 12 durch eine aus Hartmetall oder Stahl bestehende Ziehdüse 13 hindurchgezogen wird, zu einem Rohr ausgezogen. Als Ziehhilfe wird dabei auf den außenliegenden Kupfermantel 2 des Rohrstücks Ziehöl aufgebracht. Ferner wird der Stabdorn 11 vor dem Aufschieben des Rohrstückes mit Ziehöl bestrichen, so daß dieses auch das während des Ziehens auftretende Gleiten der innenliegenden Niobschicht 1 des Rohrstücks auf dem Stabdorn erleichert. Das Rohr wird dann auf dem Stabdorn einer Reihe von Kaltziehschritten unterworfen, bei welchen die Wandstärke des Rohres und entsprechend auch dessen Außendurchmesser verringert wird. Die Verringerung der Wandstärke pro Ziehschritt beträgt dabei vorteilhaft etwa 10%. Das Ziehen wird mit wechselnden, im Innendurchmesser enger werdenden Ziehsteinen solange fortgesetzt, bis die Wandstärke des Rohres auf etwa 5% der Ausgangswandstärke verringert ist. Die Ziehgeschwindigkeit kann dabei bis zu etwa 5 m/min betragen. Die Niobschicht ist dann etwa 0,1 mm, die Kupferschicht etwa 1 mm stark, während das aus dem zunächst 50 cm langen Rohrstück gezogene Rohr eine Länge von etwa 10 m besitzt. Dieses ausgezogene Rohr kann in üblicher Weise vom Stabdorn durch Abwälzen gelöst werden, ohne daß die feste Verbindung zwischen Niob und Kupfer reißt. Die innenliegende Nioboberfläche, die &, beim Ziehen auf die sehr glatte Oberfläche des Stabdorns 11 aufgepreßt wurde, ist beim fertigen Rohr ebenfalls sehr glatt und weist nur sehr geringe Wechselstromverluste von beispielsweise etwa 0,5 μ*/οη² bei Wechselstrom mit einer Frequenz von 50 Hz auf.

Natürlich kann nach dem an Hand der Fi g. 1 und 2 erläuterten Verfahren auch ein aus einer Niob- und einer Kupferschicht bestehendes Rohr hergestellt werden, bei welchem die Niobschicht an der Außenseite liegt. Beim Ziehen dieses Rohres über den Ziehdorn 11 ist dann allerdings auf die außenliegende Niobschicht eine der bereits erwähnten Ziehhilfen aufzubringen.

Eine andere Möglichkeit für die Herstellung eines aus Niob und Kupfer bestehenden Rohrstücks ist in Fi g. 3 dargestellt. Innerhalb einer Vakuumkammer 31 befindet sicili bei der Vorrichtung nach F i g. 3 eine doppelwandige Gießform. Die Außenwand dieser Gießform besteht aus einem Niobrohr 32 mit einer Wandstärke von etwa 1 mm, einem Durchmesser von etwa 50 mm und eine Länge von etwa 500 mm. Die Innenwand der Gießform besteht aus einem Stützrohr 33 aus V2A-Stahl. An der Unterseite ist die Gießform mit einem Niobboden 34 versehen, der beispielweise mit dem Niobrohr 32 verschweißt sein kann. Oben ist die Gießform mit einem Deckel 35 aus V2A-Stahl verschlossen, in den ein Gießtrichter 36 und ein Steigrohr 37 eingesetzt sind. Oberhalb des Gießtrichters 36 ist eine mit einer Ausflußöffnung 38 versehene, beispielsweise aus Graphit bestehende Gießform 39 angeordnet, die von einer Hochfrequenzheizspule 40 umschlossen ist. Die Ausflußöffnung 38 der Gießform 39 ist mit Hilfe eines Graphitstabes 41 verschlossen, an dessen oberen Ende ein Eisenkern 42 befestigt ist. Mit Hilfe der Magnetspule 43 kann der Graphitstab 41 nach oben gezogen werden, so daß die Ausflußöffnung 38 der Gießform 39 freigegeben wird.

Nach dem Füllen des Schmelztiegels 39 mit mehrfach elektrolysiertem, sauerstoffarmem Kupfer wird die Vakuumkammer 31 über den Rohrstutzen 44 so lange evakuiert, bis ein Vakuum mit einem Restgasdruck von KM Torr oder weniger erreicht ist. Anschließend wird der Graphittiegel 39 mit Hilfe der Hochfrequenzheizspule 40 zur Verflüssigung des Kupfers auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des Kupfers, beispielsweise auf etwa 1150" C, erhitzt. Wenn das Kupfer im Schmelztiegel 39 vollständig verflüssigt ist, wird der Graphitstab 41 nach oben gezogen und das Kupfer durch den Gießtrichter 36 in die aus den Teilen 32 bis 37 bestehende, kalte, d. h. ungeheizte. Gießform einlaufen gelassen. Während der kurzen Zeit des Ausgießens, während der das flüssige Kupfer mit der zunächst kalten Innenwand des Niobrohres 32 ir Berührung steht, bildet sich eine mechanisch feste Diffusionsverbindung zwischen dem Niob und derr Kupfer, welche die späteren Verformungsschritte durchsteht, ohne zu reißen.

Nach dem Erkalten des Kupfers wird die Gießforrr aus der Vakuumkammer 31 herausgenommen und nacl Entfernen der beiden Deckel 34 und 35 das innen Stützrohr ausgedreht, so daß sich ein Rohrstück mit de etwa 1 mm starken Niobschicht 32 an der Außenseiti und einer etwa 10 mm starken Kupferschicht 45 an de Innenseite ergibt.

Dieses Rohrstück kann dann gemäß dem in Fig. dargestellten Verfahren über einem runden Stabdorn zi einem langen Rohr ausgezogen werden.

Das Ziehen kann aber auch, wie F i g. 4 zeigt, übe einen schwimmenden bzw. fliegenden Dorn 46 erfolger der noch einseitig mittels eines Ziehdornankers 4 festgehalten werden kann. Das eine Ende des aus de Schichten 32 und 45 bestehenden Rohrstücks wird ζ diesem Zweck auf eine Ziehangel 48 aufgepreßt un dann in Richtung des Pfeiles 49 durch die ringförmig öffnung zwischen dem Ziehdorn 46 und einem Ziehrin 50 in mehreren Kaltziehschritten hindurchgezogen. Al

ίο

Ziehhilfe wird dabei auf die Kupferschicht 45 Ziehöl aufgebracht. Die auf der Außenseite des Rohres liegende Niobschicht 32 wird beispielsweise mit einer Zaponlackschicht 51 überzogen. Das in dieser Weise vorbereitete Rohrstück wird dann in mehreren Kaltziehschritten zu einem längeren Rohr ausgezogen. Die Verringerung der Wandstärke des Rohres pro Ziehschritt beträgt wiederum vorteilhaft etwa 10%. Zusätzlich zum Außendurchmesser des Rohres wird bei der in F i g. 4 dargestellten Ausführungsform auch der Innendurchmesser des Rohres verringert. Nach jeweils zwei Ziehschritten wird die Zaponlackschicht 51 beispielsweise mit Aceton von der Nioboberfläche 32 abgelöst und eine neue Lackschicht aufgebracht. Das Ziehen wird so lange fortgesetzt, bis die Wandstärke des Rohres etwa 10% der Ausgangswandstärke beträgt. Die Niobschicht 32 ist dann etwa 0,1 mm, die Kupferschicht 45 etwa 1 mm stark. Zusätzlich zum Zaponlack kann auf die Außenfläche des Niobrohres auch noch Ziehöl als Ziehhilfe aufgebracht werden. Die Ziehgeschwindigkeit. kann dann bis zu etwa 5 m/min betragen.

An Stelle des Zaponlackes kann, wie bereits erwähnt, die Niobschicht 32 auch durch anodische Oxidation, beispielsweise in einem 25%igen wäßrigen Ammoniakbad, mit einer Niobpentoxidschicht überzogen werden. Diese Schicht ist amorph und verhältnismäßig weich und verleiht der Niouuueniacne eine gute Gleitfähig keit. Nach etwa zwei bis drei Kaltziehschritten wird dii Niobpentoxidschicht in Flußsäure aufgelöst und an schließend die Nioboberfläche erneut oxidiert. Bein Ziehen kann zusätzlich auch noch Ziehöl verwende werden.

An Stelle der genannten Ziehhilfen kann beispielswei se als Schmier- und Kühlmittel auch eine Aufschläm mung aus Spiritus und Zinkstearat verwendet werden die vor dem Ziehen auf den Niobmantel aufgegebei werden. Das Aufschmelzen der Kupferschicht auf da Niob kann beispielsweise auch im Schleudergui erfolgen.

Wie die Ausführungsbeispiele zeigen, erlaubt da: erfindungsgemäße Verfahren die Herstellung voi langen Rohren aus verhältnismäßig kurzen Rohrstük ken. Bei der Verlegung eines supraleitenden Kabel können die langen Rohrstücke an den Verlegungsor transportiert und dort zusammengesetzt werden Natürlich können die nach dem erfindungsgemäßei Verfahren hergestellten Rohre nicht nur für supraleiten de Kabel, sondern auch als rohrförmige Supraleiter fü andere Zwecke, beispielsweise, bei innenliegende Niobschicht, als Zuführungsleitungen für die Mikrowel lenenergie zu supraleitenden Hohlraumresonatoren verwendet werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen eines rohrförmigen, aus einer Niobschicht und einer Kupferschicht bestehenden Leiters, insbesondere für supraleitende Kabel, bei dem auf eine Seite eines Niobrohres eine durch ein Stützrohr gehaltene Schicht aus Elektrolytkupfer bei senkrechtstehender Rohrachse unter Vakuum aufgeschmolzen wird, dadurch gekennzeichnet, daß unter Vakuum mit einem Restgasdruck von höchstens 10"* Torr das Kupfer nur in einer schmalen Zone aufgeschmolzen und diese vom unteren zum oberen Rohrende bewegt bzw. das geschmolzene Kupfer vorn unteren Rohrende her erstarren gelassen wird und daß das so hergestellte, aus einer Niob- und einer Kupferschicht bestehende Rohrstück unter Verwendung von Ziehhilfen in mehreren den Außendurchmesser und die Wandstärke des Rohres verringernden Kaltziehschritten zu einem längeren Rohr ausgezogen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke des Rohres pro Zug höchstens um etwa 20% verringert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke des Rohres pro Zug um etwa 10% verringert wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung des aus einer Niob- und einer Kupferschicht bestehenden Rohrstücks ein dünnwandiges Niobrohr und ein dickerwandiges Kupferrohr ineinandergesteckt werden und die vom Niob abgewandte Kupferoberfläche mit einem Sützrohr versehen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung des aus einer Niob- und einer Kupferschicht bestehenden Rohrstückseine zylindermantelförmige, doppelwandige Gießform gebildet wird, deren eine Wand aus dem Niobrohr und deren andere Wand aus einem Stützrohr besteht, und daß das geschmolzene Kupfer unter Vakuum in die kalte Gießform eingegossen wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Stützrohr von der Kupferschicht vordem Ziehen entfernt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Kupferseite des Rohres Ziehöl als Ziehhilfe aufgebracht wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß daß auf die Niobseite des Rohres eine Lackgleitschicht, vorzugsweise aus Zaponlack oder anderen schnell trocknenden Nitrocelluloselackeu, aufgebracht wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Niobseite des Rohres als Ziehhilfe eine Niobpentoxidschicht gebildet wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Niobseite des Rohres als Ziehhilfe ein seifiges Schmiermittel, insbesondere Zinkstearat, aufgebracht wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr über einen runden Stabdorn gezogen wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die mit der jeweiligen Ziehhilfe versehene Niobschicht den Außenmantel des Rohres bildet

13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Niobschicht den Innenmantel des Rohres bildet und zwischen dem Stabdorn und der Niobschicht nur Ziehöl als Ziehhilfe vorgesehen ist.