DE2339050C3 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen eines Supraleiters mit einer aus wenigstens zwei Elementen bestehenden supraleitenden intermetallischen Verbindung - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen eines Supraleiters mit einer aus wenigstens zwei Elementen bestehenden supraleitenden intermetallischen VerbindungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Supraleiters mit einer aus wenigstens zwei
Elementen bestehenden supraleitenden intermetallischen Verbindung, bei welchem eine duktile Komponente
aus wenigstens einem Element der Verbindung mit einer zweiten, ein duktiles Trägermetall für die
restlichen Elemente der Verbindung enthaltenden Komponente in Kontakt gebracht und dann der so
gewonnene Aufbau in einem über einer Schmelze der restlichen Elemente gebildeten Dampf dieser Elemente
derart wärmebehandelt wird, daß dh Verbindung durch Reaktion ihrer durch die zweite Komponente hindurchdiffundierenden
restlichen Elemente mit der ersten Komponente gebildet wird, sowie eine Vorrichtung zur
DurchführuAg dieses Verfahrens.
Aus zwei Elementen bestehende intermetallische supraleitende Verbindungen des Typs A3B, beispielsweise
Nb3Sn oder V3Ga, die A 15-Kristallstruktur besitzen,
haben sehr gute Supraleitungseigenschaften und zeichnen sich insbesondere durch ein hohes kritisches
Magnetfeld, eine hohe Sprungtemperatur und eine hohe kritische Stromdichte aus. Sie eignen sich daher
besonders als Supraleiter für Supraleiturgsspulen zum Erzeugen starker Magnetfelder, wie sie beispielsweise
für Forschungszwecke benötigt werden. Weitere Einsatzmöglichkeiten bestehen beispielsweise bei Supraleitungsmagneten
für die Schwebeführung von Magnetschwebebahnen oder in Wicklungen elektrischer Maschinen. Neuerdings sind ferner auch Ternärverbindungen,
wie beispielsweise das Niob-Aluminium-Germanium (Nb3Alo.8Geo.2), von besonderem Interesse.
Da diese intermetallischen Verbindungen sehr spröde sind, bereitet jedoch ihre Herstellung in einer
beispielsweise für Magnetspulen geeigneten rorm erhebliche Schwierigkeiten.
Es sind mehrere Verfahren bekanntgeworden, die eine Herstellung von Supraleitern mit insbesondere
zweikomponentigen intermetallischen Verbindungen in Form langer Drähte oder Bänder ermöglichen. Bei
diesen Verfahren, die insbesondere zur Herstellung von sogenannten Vielkernleitern mit in einer normalleitenden
Matrix angeordneten Drähten, insbesondere aus Nb3Sn und V3Ga, dienen, wird ein drahtförmiges
duktiles Element der herzustellenden Verbindung, beispielsweise ein Niob- oder ein Vanadiumdraht mit
einer Hülle aus einer ein duktiles Trägermetall und die übrigen Elemente der Verbindung enthaltenden Legierung,
beispielsweise einer Kupfer-Zinn-Legierung oder einer Kupfer-Gallium-Legierung, umgeben. Insbesondere
können auch eine Vielzahl solcher Drähte in eine Matrix aus der Legierung eingelagert werden. Der so
gewonnene Aufbau wird dann einer querschnittsverringernden Bearbeitung unterzogen. Dadurch wird
einmal ein langer Draht erhalten, wie er für Spulen benötigt wird. Zum anderen wird bei dieser Bearbeitung
der Durchmesser der beispielsweise aus Niob oder Vanadium bestehenden Drähte auf einen niedrigen
Wert in der Größenordnung von etwa 30 bis 50 μτη oder
noch weniger reduziert, was im Hinblick auf die Supraleitungseigenschaften des Leiters wünschenswert
ist. Ferner wird durch die querschnittsverringernde Bearbeitung noch angestrebt, eine möglichst gute
metallurgische Verbindung zwischen dem Draht und dem umgebenden Matrixmaterial aus der Legierung zu
erhalten, ohne daß jedoch Reaktionen auftreten, die zu einer Versprödung des Leiters führen. Nach der
querschnittsverringernden Bearbeitung wird dann der aus einem oder mehreren Drähten und dem umgebenden
Matrixmaterial bestehende Leiter einer Wärmebehandlung derart unterzogen, daß die gewünschte
Verbindung durch Reaktion des Drahtmaterials, also beispielsweise des Niobs oder Vanadiums, mit dem in
der umgebenden Matrix enthaltenen weiteren Element der Verbindung, beispielsweise Zinn oder Galliun,
gebildet wird. Das in der Matrix enthaltene Elemen! diffundiert dabei in das aus dem anderen Element der
Verbindung bestehende Drahtmaterial ein und reagiert mit diesem unter Bildung einer aus der gewünschten
Verbindung bestehenden Schicht (DT-OS 20 44 660, DT-OS 20 52 323, DT-OS 21 05 828).
Diese bekannten Verfahren können jedoch aus einer Reihe von Gründen noch nicht voll befriedigen.
Zunächst kann bei diesen Verfahren der Diffusionsprozeß nicht so gelenkt werden, daß das gesamte in der
Matrix vorhandene Gallium oder Zinn zur Bildung der intermetallischen Verbindung verbraucht wird. Es ist
daher bei diesen Verfahren nicht möglich, V3Ga- oder N'b3Sn-Schichten beliebiger Dicke aufzubauen. Vielmehr
wird die Diffusion von Gallium oder Zinn in Richtung der Vanadium- bzw. Niobkerne zum Stillstand
kommen, wenn die Aktivität der Elemente Gallium und Zinn in der Kupfermatrix gleich ihrer Aktivität in den
entstandenen intermetallischen Verbindungen V3Ga
oder Nb3Sn ist. Mit anderen Worten heißt dies, daß kein weiteres VjGa oder Nb3Sn gebildet werden wird, wenn
die Konzentration des Galliums oder des Zinns in der Kupfermatrix infolge der Eindiffusion von Gallium bzw.
Zinn in die Kerne auf einen bestimmten Wert abgesunken ist. Diffundiert man beispielsweise aus einer
Kupfer-Gallium-Malrix mit 18 Atomprozent Gallium bei einer Temperatur von 7000C Gallium in Vanadiumkerne
ein, so is;t der erwähnte Gleichgewichtszustand, bei dem keine weitere Bildung von V3Ga mehr erfolgt,
dann erreicht, wenn der Galliumgehalt der Matrix auf etwa 12 Atomprozent abgesunken ist. Dies bedeutet,
daß nur etwa 38% des in der Matrix verfügbaren Galliums in V3Ga übergeführt werden.
Die Dicke der gebildeten Nb3Sn- oder V3Ga-Schichten in einem Vielkernleiter ist bei den bekannten
Verfahren also nicht nur von der Glühzeit, der Glühtemperatur und der Zusammensetzung der Kupfer-Gallium-
bzw. Kupfer-Zinn-Legierung abhängig, sondern wird auch bestimmt durch die für jeden Kern
verfügbare Gesamtzinn- bzw. Gesamtgalliummenge, d. h. vom Volumen des für jeden einzelnen Kern
verfügbaren Teiles der Matrix.
Um eine hohe effektive kritische Stromdichte zu erreichen, also eine hohe kritische Stromdichte bezogen
auf den gesamten Leiterquerschnitt, sind nun aber gerade möglichst dicke Schichten aus der herzustellenden
intermetallischen Verbindung erforderlich. Bei den erwähnten bekannten Verfahren kann dies nur dadurch
erreicht werden, daß das Verhältnis des Matrixanteils zum Kernanteil an der Gesamtquerschnittsfläche des
Leiters so bemessen wird, daß das Schichtwachstum nicht durch ein beschränktes Angebot an Gallium oder
Zinn begrenzt wird, d. h., es ist ein möglichst großer
Kernabstand erforderlich. Diese Forderung kann in Mehrkernleitern gegebenen Querschnitts aber nur
dadurch erfüllt werden, daß entweder bei gegebener Kernzah! die Kerne während der querschnittsverringernden
Bearbeitungsschriite besonders dünn ausgezogen werden, oder daß bei gegebenem Kernquerschnitt
die Anzahl der Kerne vermindert wird. Beide Lösungen sind wenig befriedigend, da einerseits das
Ausziehen der Kerne zu besonders dünnen Fäden erhebliche Schwierigkeiten bereitet und einen großen
Aufwand erfordert, und andererseits bei Verminderung der Kernzahl die effektive Stromdichte gerade durch
diese Verminderung abnimmt und durch die möglicherweise erzielten dickeren Diffusionsschichten in der
Regel nur kompensiert wird. Eine beliebige Vergröße-
rung der Kernabstände ist schließlich auch aus verformungstechnischen Gründen nicht möglich. Will
man nämlich beispielsweise eine größere Anzahl von Vanadium- oder Niobkernen gleichmäßig derart dünn
ziehen, daß ihre Querschnitte untereinander gleich bleiben, dann darf der Kernabstand nicht zu groß sein.
Eine weitere Schwierigkeit bei den bekannten Verfahren besteht darin, daß das die eingelagerten
Kerne enthaltende Matrixmaterial aus dem Trägermetall und den übrigen Elementen der herzustellenden
Verbindung insbesondere bei höheren Konzentrationen dieser Elemente verhältnismäßig schlecht verformbar
ist. Insbesondere haben diese Matrixmaterialien die Eigenschaft, daß sie bei einer querschnittsverringernden
Kaltbearbeitung sehr rasch aushärten und sich dann nur sehr schwer weiterverformen lassen. Es ist daher bei
diesen Verfahren erforderlich, den aus den Kernen und dem Matrixmaterial bestehenden Leiteraufbau bereits
nach relativ kleinen Verformungsschritten jeweils einer Zwischenglühung zur Erholung und Rekristallisation
des während der Kaltverformung brüchig gewordenen Matrixgefüges zu unterziehen. Obwohl diese Glühbehandlungen
bei Temperaturen und Glühzeiten durchgeführt werden können, bei denen sich in der Regel die
herzustellende supraleitende Verbindung noch nicht bildet, sind sie insbesondere wegen der erforderlichen
häufigen Wiederholung sehr zeitraubend. Diese zunehmend schlechter werdende Verformbarkeit der Matrixmaterialien
bei zunehmendem Gehalt der restlichen Elemente der herzustellenden Verbindung ist schließlich
auch ein Grund dafür, daß zur Erzielung stärkerer Schichten der herzustellenden Verbindung die Konzentration
von beispielsweise Gallium oder Zinn in der Matrix nicht einfach beliebig erhöht werden kann. Dazu
kommt, daß mit zunehmender Konzentration dieser Elemente der Schmelzpunkt des Matrixmaterials
absinkt, was bei sehr hohen Konzentrationen zu Unzuträglichkeiten bei der Wärmebehandlung zur
Herstellung der intermetallischen Verbindungen führt. Außerdem können diese Elemente bei zu hoher
Konzentration auch unerwünschte intermetallische Phasen mit dem Trägermetall bilden.
Es sind auch bereits Vorschläge für Verfahren bekanntgeworden, bei denen die erwähnten wiederholten
Zwischenglühungen vermieden werden sollen. Bei diesen Verfahren werden zunächst ein oder mehrere
Kerne aus einem duktilen Element der herzustellenden Verbindung, insbesondere Niob oder Vanadium, in ein
duktiles Matrixmaterial, beispielsweise Kupfer, Silber oder Nickel, eingelagert, das selbst kein Element der
herzustellenden Verbindung oder nur sehr geringe Mengen eines solchen Elementes enthält Der aus den
Kernen und diesem Matrixmaterial bestehende Aufbau kann dann ohne jede Zwischenglühung durch eine
querschnittsverringernde Bearbeitung, beispielsweise durch Kaltziehen, zu einem dünnen Draht verarbeitet
werden, der sehr dünne Kerne aus Vanadium oder Niob enthält Nach dem letzten querschnittsverringernden
Bearbeitungsschritt werden bei diesen Verfahren dann auf das Matrixmaterial die restlichen Elemente der
herzustellenden Verbindung, im Falle von NbiSn also Zinn, aufgebracht. Dies geschieht dadurch, daß man den
Draht kurz in eine Zinnschmelze taucht, so daß auf dem Matrixmaterial eine dünne Zinnschicht gebildet wird,
oder daß man eine Zinnschicht auf das Matrixmaterial aufdampft Anschließend wird dann eine Wärmebehandlung
durchgeführt, bei der die auf das Matrixmaterial aufgebrachten Elemente der herzustellenden Verbindung
zunächst in das Matrixmaterial ein- und durch dieses hindurchdiffundieren und dann durch Reaktion
mit den Kernen die: gewünschte supraleitende Verbindung bilden (»Applied Physics Letters« 20 (1972), S. 443
bis 445; DT-OS 22 05 308).
Auf die beispielsweise aus Kupfer bestehende Matrix lassen sich dabei jedoch nur verhältnismäßig geringe
Mengen beispielsweise von Zinn aufbringen. Beim Aufbringen größerer Mengen von Zinn können sich
nämlich bei der zum Eindiffundieren des Zinns in die Kupfermatrix erforderlichen Temperatur leicht unerwünschte,
spröde Zwischenphasen aus Kupfer und Zinn bilden. Ferner kann auch nach dem Aufbringen zu
großer Zinnmengen beim Eindiffundieren des Zinns in die Matrix das Zinn selbst oder ein Oberflächenbereich
der Matrix aufschmelzen und dabei leicht von der Matrixoberfläche abtropfen oder ablaufen. Für die
Bildung der gewünschten intermetallischen Verbindung, beispielsweise von Nb35n, steht also auch bei diesen
Verfahren nur eine begrenzte Menge des niedriger schmelzenden Elementes, beispielsweise von Zinn, zur
Verfügung.
In der DT-OS 22 05 308 ist allerdings bereits angedeutet, daß man, sofern dies erwünscht ist, auch das
gesamte in der Kupfermatrix enthaltene Niob in Nb3Sn umsetzen kann, wenn man die einzelnen Verfahrensschritte zur Beschichtung der Matrix mit Zinn, zur
anschließenden Bildung und Homogenisierung der Kupfer-Zinn-Matrix und zur Reaktion des in der Matrix
enthaltenen Zinns mit den Niobkernen genügend oft wiederholt Ein derartiges Verfahren ist jedoch wegen
der Vielzahl der erforderlichen Verfahrensschritte außerordentlich aufwendig.
Weiterhin ist in der DT-OS 22 05 308 ein kontinuierliches Verfahren zur Herstellung von Nb3Sn-Vielkernleitern
beschrieben. Bei diesem Verfahren wird ein aus einer Kupfermatrix und eingelagerten Niobkernen
bestehender drahtförmiger Leiteraufbau kontinuierlich durch einen Ofen geführt, in dem nebeneinander
mehrere Gefäße mit geschmolzenem Zinn angeordnet sind. Die jeweils oberhalb dieser Gefäße befindlichen
Teile des Ofeninnenraums werden von dem Leiteraufbau nacheinander durchlaufen. Anschließend wird der
Leiteraufbau wieder aus dem Ofen herausgeführt. Die erste Zinnschmelze, deren zugehörigen Dampfraum der
Leiteraufbau zuerst durchläuft, befindet sich auf einer Temperatur von 1500° C die übrigen Zinnschmelzen,
deren Dampfräume vom Leiteraufbau anschließend durchlaufen werden, befinden sich auf einer Temperatur
von 10000C Der Leiter selbst wird durch den Ofen aul
einer Temperatur von 850" C gehalten. Im Dampfraum über der ersten, auf einer Temperatur von 1500°C
befindlichen Zinnschmelze ist nach den Angaben in dei
DT-OS 22 05 308 der Zinndampfdruck so hoch, daß die Obertragungs- oder Absetzrate des Zinns die Feststoff
diffusionsrate des Zinns in die Kupfermatrix überschreitet, so daß sich quer über den Drahtradius eir
Zinnkonzentrationsgradient schnell aufbaut. Der draht
förmige Leiteraufbau wird so lange über der Zinn schmelze höherer Temperatur gehalten, bis genügenc
Zinn für die Eildung der gewünschten mittlerei Matrixzusammensetzung aufgebracht ist. Der Zinn
dampfdruck in den Dampfräumen über den auf eine Temperatur von 1000°C befindlichen Zinnschmelzer
die der Leiteraufbau anschließend durchläuft, ist nacl den Angaben in der DT-OS 22 05 308 dann gerade s<
groß, daß die Zinnzufuhrrate auf einen Wert reduzier wird, der gleich demjenigen ist, bei dem Zinn durch dl
Kupfermatrix diffundiert und auf die Oberflächen der Niobkerne durch Feststoffdiffusion trifft. Die Feststoffdiffusion
selbst findet bei der Temperatur von 8500C statt. Diese ist erheblich niedriger als die Temperatur
der Zinnschmelzen gewählt, um ein Wiederabdampfen des Zinns von der Matrix und ein Aufschmelzen der
Matrix zu verhindern. Auch dieses Verfahren ist wegen der drei verschiedenen für die Zinnschmelzen und den
Leiteraufbau selbst erforderlichen Temperaturen, die während des verhältnismäßig langwierigen Verfahrens
genau eingehalten werden müssen, äußerst aufwendig.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Herstellung eines Supraleiters mit einer aus wenigstens zwei Elementen
bestehenden supraleitenden intermetallischen Verbindung, bei der zunächst eine duktile Komponente aus
wenigstens einem Element der Verbindung mit einer zweiten, ein duktiles Trägermetall für die restlichen
Elemente der Verbindung enthaltenden Komponente in Kontakt gebracht und dann der so gewonnene Aufbau
in einem über einer Schmelze der restlichen Elemente gebildeten Dampf dieser Elemente derart wärmebehandelt
wird, daß die Verbindung durch Reaktion ihrer durch die zweite Komponente hindurchdiffundierenden
restlichen Elemente mit der ersten Komponente gebildet wird, weiter zu vereinfachen, ohne daß eine
verfahrensbedingte Begrenzung der Schichtdicke der herzustellenden supraleitenden intermetallischen Verbindung
auftritt. Ferner sollen, soweit dies erforderlich ist, auch die Vorteile beibehalten werden, die ein
duktiles, ohne Zwischenglühungen kalt zu verformendes Matrixmaterial bietet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der aus beiden Komponenten bestehende Aufbau
und die zu schmelzenden restlichen Elemente der herzustellenden Verbindung bei der Wärmebehandlung
auf die gleiche Temperatur erhitzt werden und die Wärmebehandlung unter Vakuum mit einem Restgasdruck
von höchstens 10-2 Torr oder Inertgas mit einem
Druck von höchstens 500 Torr vorgenommen wird.
Gegenüber dem bekannten Verfahren, bei dem für die Schmelze und den wärmezubehandelnden Leiteraufbau
drei verschiedene Temperaturen erforderlich sind, ist das erfindungsgemäße Verfahren erheblich vereinfacht.
Völlig überraschend hat sich herausgestellt, daß für die Schmelze der restlichen Elemente der herzustellenden
Verbindung keine höhere Temperatur erforderlich ist als für die Wärmebehandlung des Leiteraufbaus.
Vielmehr reicht die zur Wärmebehandlung des Leiteraufbaus erforderliche Temperatur, die unterhalb der
Schmelztemperatur der Legierung liegt, die sich bei der Wärmebehandlung aus dem Trägermetall und den
restlichen Elementen der Verbindung bildet, bereits aus, um über der Schmelze der restlichen Elemente der
Verbindung einen Dampfdruck dieser Elemente einzustellen, bei dem unter entsprechendem Vakuum oder
Inertgas eine zur Bildung der gewünschten Schichtdicke der herzustellenden intermetallischen Verbindung ausreichende
Menge dieser Elemente zur Eindiffusion in das Trägermetall angeliefert wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich, wie noch erläutert werden wird, zum Herstellen von
supraleitenden Bauteilen der verschiedensten Formen, soweit sie nur eine Schicht einer aus wenigstens zwei
Elementen bestehenden supraleitenden intermetallischen Verbindung aufweisen oder ganz aus einer
solchen Verbindung bestehen.
Bevorzugt wird das erfindungsgemäße Verfahren jedoch zum Herstellen von Vielkernleitern angewendet.
Dazu können zunächst vorteilhaft mehrere Kerne aus der ersten Komponente in ein Matrixmaterial aus der
zweiten Komponente eingebettet und zusammen mit diesem querschnittsverringernd bearbeitet werden.
Nach dem letzten querschnittsverringernden Bearbeitungsschritt wird dann die Wärmebehandlung im Dampf
der restlichen Elemente der herzustellenden Verbindung vorgenommen.
Insbesondere eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines Supraleiters mit einer
aus zwei Elementen bestehenden Verbindung des Typs A3B mit A 15-Kristallstruktur. Bei der Herstellung
solcher Verbindungen besteht die erste Komponente aus dem höher schmelzenden Element der Verbindung,
während die Wärmebehandlung im Dampf des niedriger schmelzenden Elementes vorgenommen wird.
Eine besonders gute Kaltverformbarkeit des aus der ersten und der zweiten Komponente bestehenden
Leiteraufbaus wird dann erreicht, wenn die zweite Komponente nur aus dem Trägermetall fü>- die
restlichen Elemente der herzustellenden Verbindung besteht. Die zur Bildung insbesondere dicker Schichten
der herzustellenden intermetallischen Verbindung erforderliche Wärmebehandlung dauert dann allerdings
verhältnismäßig lang. Eine Verkürzung der zur Herstellung einer bestimmten Schichtdicke erforderlichen
Wärmebehandlung kann dann erreicht werden, wenn die zweite Komponente neben dem Trägermetall auch
noch einen Anteil der restlichen Elemente der herzustellenden Erfindung enthält. Wenn eine gute
Kaltverformbarkeit der zweiten Komponente erwünscht ist, sollte dieser Anteil jedoch nicht zu hoch
sein.
Als Trägermetall für die zweite Komponente sind insbesondere die Metalle Kupfer und Silber oder eine
duktile Legierung aus diesen Metallen geeignet. Gegebenenfalls sind auch weitere duktile Metalle
geeignet, die eine ausreichende Diffusion der restlichen
Elemente der herzustellenden Verbindung zur ersten Komponente hin erlauben und nicht störend mit den
Elementen der herzustellenden Verbindung reagieren.
Besonders vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren für die Herstellung eines Supraleiters mit der
intermetallischen Verbindung V3Ga. Bei der Herstellung eines solchen Supraleiters kann die erste
Komponente vorteilhaft aus Vanadium und die zweite Komponente aus Kupfer, Silber oder einer Kupfer-Silber-Legierung,
je enthaltend 0 bis 23 Atomprozent Gallium, bestehen. Wenn eine gute Kahverformbarkeii
der zweiten Komponente erwünscht ist, sollte sie nicht mehr als 15 Atomprozent Gallium enthalten. Eine
besonders hohe Kaltverformbarkeit bis zu einei Querschnittsverringerung von etwa 99% ergibt sid
dann, wenn der Galliumgehalt der zweiten Komponentf höchstens 12 Atomprozent beträgt. Die Wärmebehand
lung zur Herstellung eines Supraleiters mit V3Ga kam
vorteilhaft bei einer Temperatur zwischen 600 um 9500C vorgenommen werden. Die Temperaturbehand
lung und der Galliumgehalt der zweiten Komponenti sind dabei so aufeinander abzustimmen, daß die zweiti
Komponente bei der Wärmebehandlung auch be Eindiffusion von zusätzlichem Gallium aus der Dampl
phase nicht schmilzt. Als besonders günstig für di Wärmebehandlung haben sich Temperaturen zwische
600 und 7500C erwiesen.
Auch für die Herstellung von Supraleitern mit de intermetallischen Verbindung Nb3Sn ist das erfindung;
gemäße Verfahren hervorragend geeignet. Zur Herste
6Ö9 608/2S
lung eines Supraleiters mit dieser Verbindung wird vorteilhaft von einem Aufbau ausgegangen, dessen erste
Komponente aus Niob und dessen zweite Komponente aus Kupfer, Silber oder einer Kupi'er-Silber-Legierung,
je enthaltend 0 bis 8,5 Atomprozent Zinn, besteht. Wenn eine gute Kaltverformbarkeit der zweiten Komponente
erwünscht ist, sollte der Zinngehalt nicht mehr als 4 Atomprozent betragen. Die Wärmebehandlung, bei der
ebenfalls die zweite Komponente nicht aufschmelzen soll, kann vorteilhaft bei einer Temperatur zwischen 600
und 850° C vorgenommen werden. Besonders günstig ist eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur zwischen
600und800°C.
Durch Veränderung der einzelnen Verfahrensparameter kann die Dicke der nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren erzeugten Schichten aus supraleitenden intermetallischen Verbindungen sehr gut gesteuert
werden. Bei gegebenem Vakuum bzw. gegebenem Inertgasdruck und gegebener Zusammensetzung der
das Trägermetall und gegebenenfalls restliche Elemente der Verbindung enthaltenden zweiten Komponente
steigt die Schichtdicke mit zunehmender Diffusionszeit bzw. zunehmender Temperatur der Wärmebehandlung
an. Bei gegebener Temperatur und Diffusionszeit läßt sich die Schichtdicke durch die jeweilige Wahl des
Vakuums bzw. des Inertgases und Inertgasdruckes steuern. Unter Inertgasen sind dabei Gase zu verstehen,
die bei der Wärmebehandlung mit den an der Reaktion beteiligten Metallen nicht reagieren. Insbesondere
eignen sich als Inertgas Edelgase, vorzugsweise Helium oder Argon. Die größten Schichtdicken der herzustellenden
Verbindung werden erhalten, wenn die Wärmebehandlung unter Vakuum vorgenommen wird. Um
besonders große Schichtdicken zu erreichen, kann dabei vorteilhaft unter Vakuum mit einem Restgasdruck von
etwa 10~5Torr oder weniger gearbeitet werden und die
Wärmebehandlung wenigstens 45 Stunden dauern.
Wenn die Wärmebehandlung unter Edelgas vorgenommen wird, werden mit abnehmendem Druck im
Reaktionsraum die gebildeten Verbindungsschichten dicker. Bei konstantem Druck im Reaktionsraum
werden die gebildeten Schichten dicker, wenn das Gas mit dem kleineren Atomgewicht benutzt wird. So sollte,
wenn V3Ga- oder NbsSn-Schichten mit einer Dicke von
5 μ,ίτι und mehr angestrebt werden, bei einer
Wärmebehandlung unter Helium der Gasdruck höchstens 500 Torr betragen und die Wärmebehandlung
wenigstens 100 Stunden dauern. Bei einer Wärmebehandlung unter Argon sollte zur Erzielung der gleichen
Schichtdicke mit einem Gasdruck, von höchstens Torr gearbeitet werden und die Wärmebehandlung
wenigstens 100 Stunden dauern.
Falls die zweite Komponente neben dem Trägermetall auch Elemente der herzustellenden Verbindung
enthält, also beispielsweise statt aus reinem Kupfer aus
einer Kupfer-Gallium- bzw. einer Kupfer-Zinn-Legierung besteht, werden bei sonst gleichen Bedingungen
dickere Verbindungsschichten erhalten. Der Galliumoder Zinngehalt der zweiten Komponente soll jedoch
aus den bereits erwähnten Gründen nicht zu groß sein. Außerdem besteht bei zu hohen Gallium- bzw.
Zinngehalten in der zweiten Komponente auch eine gewisse Gefahr, daß sich die fertigen Leiter nur noch
schwer biegen lassen.
Die Kerne der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herzustellenden Vielkernleiter brauchen
übrigens nicht vollständig aus wenigstens einem duktilen Element der Verbindung, also beispielsweise
aus Vanadium oder Niob, zu bestehen. Vielmehr können die Kerne auch eine Seele aus einem elektrisch und
thermisch gut leitenden, bei der Betriebstemperatur des Supraleiters elektrisch normalleitenden Metal! entha'-
ten, so daß nur eine diese Seele umschließende Hülle aus wenigstens einem Element der Verbindung besteht. Als
Material für die Seele eignen sich an sich alle gut elektrisch und thermisch leitenden Metalle, die bei der
Betriebstemperatur des Supraleiters von beispielsweise
4 bis 5 K elektrisch normalleitend sind und bei der angewandten Wärmebehandlung nicht mit dem Material
der Hülle unter Bildung störender Schichten regieren. Besonders geeignet sind unter anderem wegen
ihres über der Temperatur der Wärmebehandlung
liegenden Schmelzpunktes und ihrer hohen elektrischen und thermischen Leitfähigkeit die Metalle Kupfer und
Silber. Besonders einfach auch hinsichtlich dei Verfahrenstechnik gestalten sich die Verhältnisse, wenn die
Seelen der Kerne aus dem gleichen Metall bestehen, das
in dem die Kerne umschließenden Matrixmaterial als Trägermetall enthalten ist. Die gut elektrisch und
thermisch leitenden Seelen der Kerne führen zu einer guten elektrischen Stabilisierung des fertigen Supraleiters.
Da die Wärmebehandlung beim erfindungsgemäßen Verfahren verhältnismäßig lange dauert, wird sie
vorzugsweise nicht in Art eines Durchlaufverfahrens, sondern in einer abgeschlossenen Kammer vorgenommen.
In einer abgeschlossenen Kammer ist es auch einfacher, die Druckverhältnisse über lange Zeit
konstant zu halten, die den Reaktionsablauf, wie erwähnt, erheblich beeinflussen. Besonders geeignet zur
Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine Vorrichtung mit einer evakuierbaren, gegebenenfalls
mit Inertgas fällbaren Kammer, einem in der Kammer angeordneten Sprossenrad zur Aufnahme des
der Wärmebehandlung zu unterziehenden Leiteraufbaus, einem in der Kammer angeordneten Gefäß zur
Aufnahme der zu schmelzenden Elemente der herzustellenden intermetallischen Verbindung und einer die
Kammer umschließenden Heizvorrichtung. Das Sprossenrad hat den Vorteil, daß die Sprossen den auf das
Sprossenrad aufgewickelten, der Wärmebehandlung zu unterziehenden Leiteraufbau nur an sehr kleinen Teilen
seiner Oberfläche berühren und damit den Zutritt des Metalldampfes zu der Leiteroberfläche nicht behindern.
Um einen ungehinderten Zutritt des Dampfes zu ermöglichen, sollten die nebeneinanderliegenden Windungen
des auf das Sprossenrad aufgewickelten Leiteraufbaus einander auch nicht berühren. Die Stäbe
des Sprossenrades sollten aus temperaturbeständigen-Material bestehen, das sich gegenüber den Materialier
des Leiteraufbaus inert verhält. Insbesondere sine Sprossen aus Keramikstäben geeignet.
An Hand einiger Figuren und Beispiele soll dif Erfindung noch näher erläutert werden.
F i g. 1 zeigt schematisch im Querschnitt einet Leiteraufbau für einen nach dem erfindungsgemäßei
Verfahren herzustellenden Vielkernleiter vor de Wärmebehandlung;
F i g. 2 zeigt den Leiteraufbau nach F i g. 1 nach de
abschließenden Wärmebehandlung zur Bildung de intermetallischen Verbindung;
F i g. 3 zeigt schematisch im Querschnitt ein weitere
Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß hergestell ten Vielkernleiters;
F i g. 4 zeigt schematisch im Schnitt eine bevorzugt
Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführun
Zur Herstellung eines V3Ga-Einkernleiters wurde zunächst ein Vanadiumstab mit einem Durchmesser von
etwa 7 mm in ein Kupferrohr mit einem Außendurchmesser von etwa 20 mm gesteckt. In einer Reihe von
querschnittsverringernden Kaltziehschritten wurde dieser Aufbau zu einem Draht mit einem Außendurchmesser
von 0,4 mm und einem Durchmesser des Vanadiumkerns von 0,15 mm verarbeitet. Ein Stück des
so hergestellten Drahtes wurde zusammen mit einem Galliumvorrat in eine Quarzampulle eingebracht. Nach
Spülung mit Helium wurde diese Quarzampulle bis zu einem Restgasdruck von 10~5 Torr evakuiert und dann !5
zugeschmolzen. Der Galliumvorrat war so angeordnet, daß das Drahtstück nicht mit flüssigem Gallium in
Berührung kommen konnte. Die abgeschmoizene Ampulle wurde dann 48 Stunden lang auf eine
Temperatur von 700°C erhitzt. Nach dieser Wärmebehandlung, bei der sich sowohl der Draht als auch die
Galliumschmelze auf der gleichen Temperatur von 7000C befanden, wurde die Ampulle geöffnet und der
Draht untersucht. Die Untersuchung ergab, daß sich an der Oberfläche des Vanadiumkerns eine 8 μτη starke
V3Ga-Schicht gebildet hatte. Das dampfförmige Gallium ist also in den Kupfermantel des Drahtes ein- und
durch diesen hindurchdiffundiert und hat mit dem Vanadiumkern unter Bildung einer verhältnismäßig
dicken V3Ga-Schicht reagiert. Der Galliumdampfdruck 3= über der Schmelze beträgt bei der Temperatur von
7000Cetwa 10 'bis l
Ein weiteres Stück des nach Beispiel 1 hergestellten Drahtes mit einem Vanadiumkern und einer Kupferhülle
wurde zusammen mit einem Galliumvorrat unter Vakuum von etwa 10~5 Torr 46 Stunden lang bei einer
Temperatur von 660°C wärmebehandelt. Die an der Oberfläche des Vanadiumkernes gebildete V3Ga-Schicht
hatte eine Dicke von etwa 2 μιη.
Zur Herstellung eines weiteren V3Ga-Einkernleiters wurde ein Vanadiumstab mit einem Durchmesser von
etwa 10 mm in ein Rohr aus einer Kupfer-Gallium-L«:-
gierung mit 10 Atomprozent Gallium, Rest Kupfer, gesteckt, das einen Außendurchmesser von etwa 20 mm
besaß. In einer Reihe von Kaltverformungsschritten wurde dieser Aufbau dann zu einem Draht mit einem
Außendurchmesser von 0,4 mm und einem Durchmesser des Vanadiumkerns von 0,2 mm verarbeitet. Infolge des
verhältnismäßig geringen Galliumgehaltes des Kupfer-Gallium-Rohres waren keine Zwischenglühungen zwischen
den einzelnen querschnittsverringernden Kaltverformungsschritten erforderlich. Ein Stück des so
hergestellten Drahtes wurde dann zusammen mit einem Galliumvorrat unter Vakuum von etwa 10~5 Torr 48
Stunden lang auf einer Temperatur von 700° C gehalten. Bei dieser Wärmebehandlung bildete sich an der
Oberfläche des Vanadiumkernes eine V3Ga-Schicht mit einer Dicke von 10 μπι. Zum Zwecke eines Vergleichs-Versuches
wurde anschließend °in weiteres Stück des aus dem Vanadiumkern und dem Kupfer-Gallium-Mantel
bestehenden Drahtes im gleichen Vakuum, jedoch ohne Anwesenheit eines Galliumvorrates ebenfalls 48
Stunden lang auf eine Temperatur von 7000C erhitzt. Kine Untersuchung dieses Drahtes ergab, daß sich an
der Oberfläche des Vanadiumkernes überhaupt keine VjGa-Schicht gebildet hatte, da die Gallium-Konzentralion
im Kupier-Gallium-Mantel für die Bildung einer solchen Schicht zu niedrig ist.
Ein nach Beispiel 3 hergestellter Draht wurde zusammen mit einem Galliumvorrat unter Vakuum von
siwa 10~5 Torr 46 Stunden lang auf eine Temperatur
von 660°C erhitzt. Die gebildete V3Ga-Schicht war 4 μνη dick.
Ein weiteres Stück des nach Beispiel 3 hergestellten Drahtes wurde zusammen mit einem Galliumvorrat in
einer mit Helium eines Dampfdruckes von etwa 500 Torr gefüllten Quarzampulle 63 Stunden lang auf 7000C
erhitzt. Die an der Oberfläche des Vanadiumkerns gebildete V3Ga-Schicht war etwa 3 μτη dick. Bei IOC
Stunden langer Wärmebehandlung unter sonst gleichen Bedingungen wurde eine V3Ga-Schichtdicke von über 5
μίτι erreicht.
Zur Herstellung eines V3Ga-Vielkemleiters wurde zunächst ein Vanadiumstab mit einem Durchmesser vor
etwa 10 mm in ein Rohr aus einer Kupfer-Gallium-Legierung mit 18 Atomprozent Gallium, Rest Kupfer, unc
einem Außendurchmesser von etwa 20 mm gesteckt Dieser Aufbau wurde dann durch querschnittsverringernde
KaUbearbeitungsschritte zu einem Draht mii einem Außendurchmesser von etwa 1 mm verarbeitet
Wegen des verhältnismäßig hohen Galliumgehaltes dei Gallium-Kupfer-Legierung wurde nach einer Verfor
mung um jeweils 30% eine Zwischenglühung (3C Minuten bei etwa 550°C) durchgeführt. 60 derar
gewonnene Drahtstücke wurden dann in ein Kupferrohi gesteckt und unter Zwischenglühungen nach jeweih
30%-iger Verformung so weit querschnittsverringernc bearbeitet, bis ein Leiteraufbau mit einem Außendurch
messer von 0,4 mm vorlag. Dieser Leiteraufbau enthiel 60 Vanadiumkerne mit einem mittleren Kerndurchmes
ser von jeweils 37 μτη. Der mittlere Kernabstand betrug 7 μτη. Ein Stück des so hergestellten Leiteraufbau
wurde dann unter Vakuum von etwa 10~5 Tor zusammen mit einem Galliumvorrat 112 Stunden lanj
auf eine Temperatur von 7000C erhitzt. Eine anschlie ßende Untersuchung ergab, daß bei dieser Wärmebe
handlung sämtliche Vanadiumkerne des Leiteraufbau über ihren gesamten Querschnitt in V3Ga übergeführ
wurden.
Ein Stück des nach Beispiel 6 hergestellten Leiterauf baus mit 60 Vanadiumkernen wurde unter Argon mi
einem Druck von etwa 500 Torr zusammen mit einer Galliumvorrat 112 Stunden lang auf eine Temperatu
von 7000C erhitzt. Bei dieser Wärmebehandlung wurd an der Oberfläche der einzelnen Vanadiumkerne jeweil
eine V3Ga-Schicht mit einer Dicke von etwa 3 ^r gebildet.
Ein-Stück des nach Beispiel 6 hergestellten Leiteraufbaus
mit 60 Vanadiumkernen wurde unter Argon mit einem Druck von etwa 100 Torr in Gegenwart eines
Galliumvorrats 112 Stunden lang auf eine Temperatur von 700° C erhitzt Bei dieser Wärmebehandlung
wurden an der Oberfläche der einzelnen Vanadiumkerne V3Ga-Sc!iichten mit einer Dicke von etwa 5 μνη
gebildet.
Ein weiteres Stück des nach Beispiel 6 hergestellten Leiteraufbaus mit 60 Vanadiumkernen wurde unter
Vakuum von etwa 10~5 Torr zusammen mit einem Gallium vorrat 46 Stunden lang auf eine Temperatur von
660° C erhitzt. Bei dieser Wärmebehandlung wurde an der Oberfläche der einzelnen Vanadiumkerne jeweils
eine V3Ga-Schicht mit einer Dicke von etwa 7 μνη gebildet. Die effektive kritische Stromdichte des in
dieser Weise hergestellten Leiters betrug bei einer Temperatur von 4,2 K in einem äußeren Magnetfeld mit
einer magnetischen Flußdichte von 5 Tesla 1,2-1O5
A/cm2. Bei einem Vergleichsversuch unter gleichen Bedingungen, aber ohne Galliumvorrat, wurde nur eine
Schichtdicke der V3Ga-Schichten von etwa 1,3 ^m erreicht. Der Vielkernleiter mit V3Ga-Schichten dieser
Schichtdicke hatte in einem äußeren Magnetfeld von 5 Tesla bei 4,2 K nur eine effektive kritische Stromdichte
von 3 104 A/cm2.
Die Herstellung eines Leiters nach Beispiel 9 wird schematisch durch die Fig.1 und 2 noch näher
verdeutlicht. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind in den Figuren weniger Vanadiumkerne dargestellt, als der
Leiter nach Beispiel 9 enthält. F i g. 1 zeigt den Leiteraufbau nach dem letzten querschnittsverringernden
Bearbeitungsschritt, aber vor der Wärmebehandlung. In eine Kupfer-Gaiiium-Matrix 1 sind eine Reihe
von Vanadiumkernen 2 eingelagert. Der Zustand des fertigen Leiters nach der Wärmebehandlung ist in
Fig.2 dargestellt. Während der Wärmebehandlung wurden an der Oberfläche der einzelnen Vanadiumkerne
2 die VsGa-Schichten 3 gebildet.
Beispiel 10
Ein weiteres Stück des nach Beispiel 6 hergestellten Leiteraufbaus mit 60 Vanadiumkernen vurde unter
Argon mit einem Druck von etwa 100 Torr zusammen mit einem Galliumvorrat 46 Stunden lang auf eine
Temperatur von 660° C erhitzt. Dabei bildete sich an der Oberfläche der Vanadiumkerne jeweils eine V3Ga-Schicht
mit einer Dicke von etwa 2 μη\.
Beispiel 11
Zur Herstellung eines Nb3Sn-Vielkernleiters wurde zunächst ein Niobstab in ein Kupferrohr gesteckt und
dann dieser Aufbau ohne Zwischenglühung zu einem langen Draht ausgezogen. Zwanzig Stücke dieses
Drahtes wurden dann zu einem Bündel zusammengefaßt, wiederum in ein Kupferrohr gesteckt und durch
querschnittsverringernde Kaltverformung zu einem Draht mit einem A,ußendurchmesser von etwa 0,65 mm
ausgezogen. Die zwanzig im Draht enthaltenen Niobkerne hatten einen Durchmesser von jeweils etwa
50 μχη. Der mittlere Kernabstand betrug 35 μνη. Ein
Stück des so hergestellten Leiteraufbaus wurde dann zusammen mit einem Zinnvorrat unter Vakuum von
etwa 10~5 Torr 63 Stunden lang auf eine Temperatur vor. 700°C erhitzt. Bei dieser Wärmebehandlung
bildeten sich an der Oberfläche der Niobkerne Nb3Sn-Schichten mit einer Schichtdicke von etwa 5 μχη.
Der Zinndampfdruck bei 700LC beträgt etwa 10-& bis
!O-'Torr.
Beispiel 12
Ein weiteres Stück des nach Beispiel 11 hergestellten
Leiteraufbaus wurde unter Vakuum von etwa 10-5 Torr
zusammen mit einem Zinnvorrat 46 Stunden lang auf einer Temperatur von 750°C gehalten. Bei dieser
Wärmebehandlung wurden an den Oberflächen der Niobkerne Nb3Sn-Schichten mit einer Dicke von etwa
14 μχη gebildet
20 Beispiel 13
Zur Herstellung eines Nb3Sn-Einkernleiters wurde ein Niobstab in ein Kupferrohr gesteckt und zusammen
mit diesem durch querschnittsverringernde Kaltverformung zu einem Draht mit einem Außendurchmesser
von 0^5 mm verarbeitet. Der Durchmesser des
Niobkerns in diesem Draht betrug 0,15 mm. Ein Stück des so hergestellten Drahtes wurde dann zusammen mit
einem Zinnvorrat unter Vakuum 46 Stunden lang auf eine Temperatur von 750° C erhitzt. Dabei bildete sich
an der Oberfläche des Niobkernes eine Nb3Sn-Schicht mit einer Dicke von etwa 7 μιτι.
35 Beispiel 14
In diesem Beispiel soll die Herstellung eines V3Ga-VielkernIeiters erläutert werden, bei dem die
einzelnen Vanadiumkerne Seelen aus Kupfer enthalten.
Zur Herstellung eines solchen Leiters wurde zunächst ein drahtförmiger Kupferkern mit einer Vanadiumhüllc
und einem diese Vanadiumhülle umschließenden Kupfer-Gallium-Mantel mit 18 Atomprozent Gallium, Resi
Kupfer, hergestellt. Dazu wurde ein Kupferstab in eine rohrförmige Vanadiumhülle und diese wiederum in ein
Rohr aus der Kupfer-Gallium-Legierung gesteckt und der so gewonnene Aufbau querschnittsverringernd
bearbeitet. 60 dieser Drähte wurden zu einem Bündel zusammengefaßt und zur Erleichterung der sich
anschließenden weiteren querschnittsverringernden Bearbeitungsschritte in ein Kupferrohr gesteckt, das nach
der querschnittsverringernden Bearbeitung des Leiters wieder abgelöst wurde. Der so gewonnene Leiteraufbau
wurde durch weitere querschnittsverringernde Bearbeitungsschritte zu einem Draht mit einem Außendurchmesser
von etwa 0,4 mm verarbeitet. Die einzelnen Vanadiumhüllen hatten nach dieser Behandlung einen
Außendurchmesser von etwa 35 μνη und eine Wandstärke von etwa 7,5 /um. Der Außendurchmesser der
Kupferseelen betrug etwa 20 μπ\. Die Stärke der zwischen den einzelnen Vanadiumhüllen vorhandenen
Kupfer-Gallium-Schicht betrug etwa 13 μνη. Der so
hergestellte Draht wurde nun zusammen mit einem Galliumvorrat unter Vakuum von etwa 10~5 Torr 49
Stunden lang auf eine Temperatur von 66O0C erhitzt. Dabei wurden an der Oberfläche der Vanadiumhüllen
der einzelnen Kerne V3Ga-Schichten mit einer Dicke
von etwa 3 μη\ gebildet. Am fertigen Draht wurden in
23 39 05δ
einem äußeren Magnetfeld von 5 Tesla bei 4,2 K kritische Ströme von 76 bis 90 A gemessen. Zum
Vergleich wurde ein Stück des gleichen Drahtes einer Wärmebehandlung unter den gleichen Bedingungen,
jedoch ohne GaHiurnvorrai, unterzogen. Die bei diesem
Vergleichsversuch an der Oberfläche der Vanadiumhüllen gebildeten V3Ga-Schichten hatten nur eine Dicke
von etwa 1 μη\ und weniger. In einem Magnetfeld von 5
Tesla wies dieser Draht bei 4,2 K nur einen kritischen Strom von etwa 20 A auf.
Ein nach Beispiel 14 hergestellter Vielkernleiter ist
schematisch in F i g. 3 dargestellt. Eine Reihe von Kernen mit einer Kupferseele 21 und einer Vanadiumhülle
22 sind in eine Kupfer-Gallium-Matrix 23 eingebettet. Die an der Oberfläche der Vanadiumhüllen
22 gebildeten VsGa-Schichten sind mit 24 bezeichnet. Natürlich kann man bei der Herstellung eines solchen
Leiters statt von einer Kupfer-Gallium-Matrix auch von einer reinen Kupfer-Matrix ausgehen.
Eine Vorrichtung, die sich insbesondere zur Durchführung der Wärmebehandlung bei sehr langen,
nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herzustellenden Leitern eignet, ist schematisch in F i g. 4 dargestellt.
Sie besteht im wesentlichen aus einer Kammer, die aus einem Unterteil 31 und einem abnehmbaren Oberteil 32
zusammengesetzt ist. Über den Rohranschluß 33 kann die Kammer evakim η und gegebenenfalls mit Inertgas
gefüllt werden. In der Kammer ist ein Sprossenrad 34 angeordnet, dessen Sprossen 35 aus Keramikstäben
bestehen. Auf dieses Sprossenrad ist der Leiteraufbau 36 aufgewickelt, der der Wärmebehandlung unterzogen
werden soil. Ferner befindet sich in der Kammer ein Gefäß 37 zur Aufnahme des zu schmelzenden Galliumoder
Zinnvorrates 38. Außen ist die Kammer von einem Ofen 39, beispielsweise einem elektrischen Wider-Standsofen,
umgeben, mit dem sie auf die zur Wärmebehandlung erforderliche Temperatur erhitzt
werden kann.
Wie bereits erwähnt, eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren nicht nur zur Herstellung von
drahtförmigen Supraleitern, sondern auch zur Herstellung von supraleitenden Bauteilen anderer Form.
Beispielsweise kann ein supraleitendes Abschirmbiech oder ein supraleitender Abschirmzylinder mit eil.er
VsGa-Schicht hergestellt werden, indem man eine Vanadiumplatte oder einen Vanadiumzylinder auf einer
Seite mit einer Kupferschicht versieht und die so gewonnene Anordnung in einem Vakuum von 10~ä
Torr in Anwesenheit eines Galliumvorrates etwa 50 Stunden lang auf eine Temperatur von etwa 7000C
erhitzt. In die Kupferschicht diffundiert dann Gallium ein und reagiert mit dem angrenzenden Vanadium unter
Bildung einer V3Ga-Schicht. An der kupferfreien Seite des Vanadiumbauteils tritt dagegen unter den angegebenen
Bedingungen praktisch keine Reaktion von Vanadium mit Gallium ein, so daß dort keine
V3Ga-Schicht gebildet wird.
Die erste Komponente mit einem höher schmelzenden Element der herzustellenden Verbindung braucht
beim erfindungsgemäßen Verfahren nicht unbedingt aus einem einzigen Metall zu bestehen, sondern kam.
gegebenenfalls auch Zusätze enthalten.
Beispielsweise können dem Niob oder dem Vanadium auch Titan, Zirkon oder Tantal in Mengen bis zu etwa 30
Gewichtsprozent beigemischt sein. Auch Zusätze von Hafnium sind möglich. Ferner kann als erste Komponente
beispielsweise auch eine Vanadium-Niob-Legierung verwendet werden. Ebenso können an Stelle eines
restlichen Elementes der herzustellenden Verbindung, wie Gallium oder Zinn, auch mehrere solcher Elemente
sowohl zusätzlich zum Trägermetall in der zweiten Komponente des herzustellenden Leiterai-fbaus als
auch in dem bei der Wärmebehandlung anzuwendenden Metalldampf enthalten sein. Beispielsweise können Zinn
und Gallium nebeneinander vorhanden sein.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 609 608/291
Claims (21)
- Patentansprüche:•-fahren zum 5 !erstellen eines Supraleiters mil einer aus wenigstens zwei Elementen bestehenden supraleitenden intermetallischen Verbindung, wobei eine duktile Komponente aus wenigstens einem Element der Verbindung mit einer zweiten, ein duktiles Trägermetall für die restlichen Elemente der Verbindung enthaltenden Komponente in Kontakt gebracht und dann der So gewonnene Aufbau in einem über einer Schmelze der restlichen Elemente gebildeten Dampf dieser Elemente derart wärmebehandelt wird, daß die Verbindung durch Reaktion ihrer durch die zweite Komponente hindurchdiffundierenden restlichen Elemente mit der ersten Komponente gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dafl der aus beiden Komponenten bestehende Aufbau und die zu schmelzenden restlichen Elemente der herzustellenden Verbindung bei der Wärmebehandlung auf die gleiche Temperatur erhitzt werden und die Wärmebehandlung unter Vakuum mit einem Restgasdruck von höchstens 1O-2 Torr oder Inertgas mit einem Drack von höchstens 500 Torr vorgenommen wird.
- 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Kerne aus der ersten Komponente in ein Matrixmaterial aus der zweiten Komponente eingebettet und zusammen mit diesem querschnittsverringernd bearbeitet werden und nach dem letzten querschnittsverringernden Bearbeitungsschritt die Wärmebehandlung im Dampf der restlichen Elemente der herzustellenden Verbindung vorgenommen wird.
- 3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die herzustellende supraleitende Verbindung eine aus zwei Elementen bestehende Verbindung des Typs A3B mit A 15-Kristallstruktur ist und die erste Komponente aus dem höher schmelzenden Element der Verbindung besteht, während die Wärmebehandlung im Dampf des niedriger schmelzenden Elementes vorgenommen wird.
- 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Komponente nur aus dem Trägermetall für die restlichen Elemente besteht.
- 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Komponente neben dem Trägermetall auch einen Anteil der restlichen Elemente der herzustellenden Verbindung enthält.
- 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Trägemnetall eines der Metalle Kupfer und Silber oder eine duktile Legierung aus diesen Metallen vorgesehen ist.
- 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung VjGa gebildet wird.
- 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Komponente aus Vanadium und die zweite Komponente aus Kupfer, Silber oder einer Kupfer-Silber-Legierung, je enthaltend 0 bis 23 Atomprozent, vorzugsweise 0 bis 15 Atomprozent, Gallium, besteht.
- 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Galliumgehalt der zweiten Komponente höchstens 12 Atomprozent beträgt.
- 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung bei einer Temperatur zwischen 600 und 95O0C vorgenommen wird.
- 11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur bei der Wärmebehandlung höchstens 750° C beträgt.
- 12. Verfahren nach einem der Ansprüche I bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung Nb3Sn gebildet wird.
- 13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Komponente aus Niob und die zweite Komponente aus Kupfer, Silber oder einer Kupfer-Silber-Legierung, je enthaltend 0 bisf5 8,5 Atomprozent, vorzugsweise 0 bis 4 Atomprozent, Zinn besteht.
- 14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung bei einer Temperatur zwischen 600 und 850° C vorgenommen wird.
- 15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur bei der Wärmebehandlung höchstens 800°C beträgt.
- 16. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung unter Vakuum mit einem Restgasdruck von etwa 10-5 Torr oder weniger vorgenommen wird und wenigstens 45 Stunden dauert.
- 17. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlungunter Helium mit einem Gasdruck von höchstens 500 Torr vorgenommen wird und wenigstens 100 Stunden dauert.
- 18. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung unter Argon mit einem Gasdruck von höchstens 100 Torr vorgenommen wird und wenigstens 100 Stunden dauert.
- 19. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die drahtförmigen Kerne aus der ersten Komponente der Verbindung eine Seele aus einem elektrisch und thermisch gut leitenden, bei der Betriebstemperatur des Supraleiters elektrisch normalleitenden Metall enthalten.
- 20. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 19, gekennzeichnet durch .eine evakuierbare, gegebenenfalls mit Inertgas füllbare Kammer (31, 32), ein in der Kammer angeordnetes Sprossenrad (34) zur Aufnahme des der Wärmebehandlung zu unterziehenden Leiteraufbaus (36), ein in der Kammer angeordnetes Gefäß(37) zur Aufnahme der zu schmelzenden Elemente(38) der herzustellenden intermetallischen Verbindung und eine die Kammer umschließende Heizvorrichtung (39).
- 21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Sprossen (35) des Sprossenrades aus Keramikstäben bestehen.
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JP49088621A JPS5827606B2 (ja) | 1973-08-01 | 1974-08-01 | 超電導導体の製造方法および装置 |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19732339050 DE2339050C3 (de) | 1973-08-01 | Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen eines Supraleiters mit einer aus wenigstens zwei Elementen bestehenden supraleitenden intermetallischen Verbindung |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE2339050A1 DE2339050A1 (de) | 1975-02-20 |
DE2339050B2 DE2339050B2 (de) | 1975-07-10 |
DE2339050C3 true DE2339050C3 (de) | 1976-02-19 |
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