DE2511656A1 - Verfahren fuer die herstellung von supraleitenden kabeln aus nb tief 3 al, sowie mit diesem verfahren erziehlte supraleitende kabel - Google Patents
Verfahren fuer die herstellung von supraleitenden kabeln aus nb tief 3 al, sowie mit diesem verfahren erziehlte supraleitende kabelInfo
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Description
1. Societä Alluuninio e Metalli (ALUIJETAL) S,p.A. Foro
Bonaparte, 31 - Mailand - Italien
2. "CCBIITATO NAZIONALE MERGIA NUOLEARE" - Viale Regina
llargherita, 125 - Roma - Italien
(Für diese Anmeldung wird die Priorität aus der italienischen Voranmeldung Nr. 49510 A/74 vom
22.3.1974 in Anspruch genommen)
YERi1AHREN PUR DIE HERSTELLUNG VON SUPRALEITENDEN KABELN
AUS Nb Al, SOViIS KIT DIESM VERFAHREN ERZIELTE SUPRALEITENDE
KABEL.
Die vorliegende Erfindung "betrifft ein Verfahren für die
Herstellung von supraleitenden Kabeln aus NbJIl. Wie bekannt werden die intermetallischen Verbindungen mit einem
im allgemeinen als /3 -V/oIfram. oder A 15artig bestimmten
Kristallgefüge, welche den Systemen Nb-Al, Nb~Ge, Nb-Sn
oder speziellen ternären, von diesen abgeleiteten Systemen
angehören, immer mehr als supraleitende Werkstoffe fur di«
Verwendung in starken Magnetfeldern in Betracht gezogen·
Es ist ausserdem bekannt, dass es sich bei der Verbinddung
Nb-JIl ura ein supraleitendes Material mit hohem kritischem
Magnetfeld und einer hohen kritischen Temperatur handelt.
Um ein supraleitendes Kabel aus NbJiI herzustellen, indem
509840/0364
man ein mit Aluminium beschichtetes Nb-Band analog zur
Herstellung von supraleitenden: Kabeln aus Nb ..Sn bei hohen'
Il 3
Temperaturen reagieren lasst, bis die intermetallische
Verbindung Nb,Al durch Inter-Diffusion erzielt wird, ist
wie bekannt eine Reaktionsteniperatur über 12000C notwendig.
Durch diese hohe Temperatur wird die Herstellung von supraleitenden
Kabeln aus Nb-Al unvorteilhaft mit'. Bezug auf die Herstellung von supraleitenden Kabeln aus Nb^, fur welche
eine Reaktionstemperatur von nur 700 - 8000C no twending ist.
Die vorliegende Erfindung hat das Ziel, ein Verfahren zu schaffen, mit welchem die intermetallische Verbindung NbJIl
bei Temperaturen unter 10000C, das heisst bei Temperaturen,
die mit denjenigen, die für die Herstellung der intermetallischen Verbindung NbJIl notwending vergleichbar sind, erzielt
.werden kann, um somit supraleitende Kabel aus Nb-Al in Bedingungen herstellen zu können, die sich nicht nachteilig
von den fur die Herstellung von supraleitenden Kabeln aus Nb-Sn verlangten Bedingungen unterscheiden· Die-Erfindung
hat ausserdem die Aufgabe, ein Verfahren zu verwirklichen,
mit welchem in einer Kupfermatrize stabilisierte ein- und vieldrähtige supraleitende Kabel erzielt werden
Il >
können.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren für die Herstellung von in einer Kupfermatrize
eingebetteten supraleitenden Kablen aus NbJU. bereitzu—
stellen, welches einfach und wirtschaftlich in der Industrie verwirklicht werden kann.
509840/0364
Diese und andere Ziele,velche fur den auf diesem Gebiet
spezialisierten Techniker klarw.aus der folgenden Beschreib
bung hervorgehen werden, werden erreicht durch ein Verfahren fur die üerstellung von supraleitenden Kabeln aus
NbJLl, welches nach der vorliegenden Erfindung dadurch gekennzeichnet ist, dass eine Formation von übereinander gelegten
Kb- und Al-Folien gebildet wird,. diese For-
Il "
mation in einen Kupferbehalter eingeführt wird, dieser
Kupferbehalter mit den darin angeordneten Folien einer
plastischen Verformungsbearbeitung so lange ausgesetzt wird, bis die Dicke der Al-Folie auf einen Wert unter etwa 1,5/um
verringert wird, und das derart bearbeitete Produkt schliesslich einer Warmbehandlung bei einer Temperatur zwischen
8000C und 10000C ausgesetzt wird. In der vorliegenden Beschreibung
bezeichnet das Symbol yum einen Micrometer oder
einen millionsten Teil eines Meters. Beim Ubereinanderlegen
der Nbr und Al-Folien wird eine Al-Folie zwischen
zwei Nb-Folien angeordnet, so dass ein Sandwich der Art Nb/Al/fab oder vorzugsweise ein Sandwich der Art Nb/Al/Nb/
Al/Kb.../8To erzielt wird.
Der Kupferbehalter muss derart geformt sein, dass er mit dem in ihn eingeführten Paket der Nb- und Al-Folien zusammenpÄßst·
Ausserdem ist zu bemerken, dass bei den oben beschriebenen Sandwicharten immer die Nb-Folie mit der
Innenoberflache des Kupferbehälters in Berührung kommtj
bei der Verwirklichung des erfindungsgeinassen Verfahrens
muss die Berührung zwischen Aluminium und Kupfer- verhindert werden· · .
In einer bevorzugten Ausfuhrungsform der Erfindung werden
diese Sandwichs erzielt durch Übereinanderlegen einer Nb-
und einer Al-Folie, welche darauf in Form einer Spule auf-
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gewickelt werden; diese Spule wird in einen zylinderformigen
Kupferbehälter eingeführt". '
Anstatt das aus Ifb/Al bestehende Sandwich zu einer Spule
aufzurollen, kann offensichtlich auch ein Sandwich der Art Nb/Al/Nb/Al.../ΑΙ zu einer Spule aufgewickelt werden.
Mit dem erfindungsgemassen Verfahren können ausserdem auf
vorteilhafte Art und Weise vieldrähtige supraleitende Kabel hergestellt werden. Zu diesem Zweck kann man zum
Beispiel einen Kupferzylinder, in dem eine aus einem
Nb/Al-Sandwieh aufgerollte Spule angeordnet worden ist,
verformen, bis ein Draht von einer bestimmten Lange erreicht wird, diesen Draht in eine Vielzahl von Abschnitten
zerschneiden, diese Abschnitte in einem anderen Kupferbehalter vereinigen, den Behälter mit den darin angeordneten
Drahtabschnitten verformen, bis die Dicke der - ' einzelnen Al-iblien auf einen Wert unter etwa 1,5/um
' verringert wird, das derart bearbeitete Produkt zweckmassig einer Torsion aussetzen um eine magnetische Entkopplung
der einzelnen-Drahte zu erhalten, und schliesslich einer Warmbehandlung bei einer Temperatur zwischen 8000C
und 10000C unterziehen.
Bei den supraleitenden Kabeln aus Nb^Al nach der vorliegenden
Erfindung, welche in eine Kupfermatrize eingebettet sind, hat das Kupfer die Aufgabe, dem elektrischen Strom
einen alternativen. Weg zu verleihen, falls ein Abschnitt des supraleitenden Kabels aus Nb,Al ortsweise widerstandsfähig
wird, so dass eine ubermassige Erwärmung verhindert und eine wenigstens teilweise Stabilisierung des in Betrieb
stehenden Kaböis begünstigt wird.
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Wie "bekannt stellen die vie}.drahtigen supraleitenden Kabel
(mit fur die magnetische Entkopplung zweckaiassig verdrehten
Drahten) die modernste lösung fur die Stabilisation des im Betrieb,stehenden Kabels dar; die Herstellung
solcher Kabel wurde jedoch bisher auf dehnbare Supraleiter, wie Hb-Ti oder Nb-Zr Legierungen beschrankt, deren
Verformung keine besonderen Probleme stellt* Da die Verbindung Nb-Al bessere supraleitende Eigenschaften als diese
Legierungen besitzt, ist die erfindungsgemässe Herstellung eines mit Kupfer stabilisierten vieldrahtigen Kabels mit
Il
Nb Al-Drahten ein erheblicher technischer Fortschritt
bezüglich dem herkömmlichen Stand der Technik,
Erstaunlicherweise hat sich herausgestellt, dass für die Bildung der Nb Al Phase bei zwischen 8000C und 10000G begriffenen
Diffusionstemper'atureri und in Zeitspannen,welche
It
mit denjenigen fur die Herstellung der Verbindung Nb^Sn
vergleichbar sind, das heisst von mehr als zehn Minuten bis zu einigen Stunden, die Dicke der Al-Folie vor der
Reaktion kleiner als et?/a 1,5/um sein muss; wenn die
Foliendicke mehr als 1,5 /um betragt, und man bei der gleichen
Temperatur arbeitet, sind auch (und vor allem, bei zunehmender Dicke) nicht supraleitende Metallverbindungen
wie Nb_Al und NbAl. vorhanden.
Die vorliegende Erfindung wird nun mit Bezug auf die anliegende beispielsweise Zeichnung genauer beschrieben, in
Il
welcher die einzige Figur zwei ubereinandergelegte und um einen Kupferkern zu einer Spule aufgerollte, in einem
zylinderföraigen Kupferbehalter angeordnete Nb- und Al-
Folien scheraatisch im Querschnitt mit vergrössertem Massstab darstellt, v^obei der Klarheit wegen die Bickenmasse
der Elemente zueinander im Missverhältnis gezeigt sind·
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Mit Bezug auf diese Zeichnung werden eine Al-Folie und
eine gleich breite aber lkager.e Nb-Folie üb er θ inander ge- ■
legt und darauf eng auf einen aus einem Rundeisen aus Kupfer bestehenden Kern 1 zu einer Spule aufgewickelt.
Die AlrFolie wurde, der Klarheit wegen, nicht schraffiert
dargestellt. Dank der grösseren länge der Nb-Folie, kommt
der Rundstab aus Kupfer direkt mit der Nb-Folie in Berührung, wobei auch die Aussenoberflache der Spule von
der Nb-Polie gebildet wird. In den in der Zeichnung dargestellten
Spulenq.uerschnitt erkennt man die radial zu
einem Sandwich der Art Nb/Al/Nb/Al/Nb .../Nb übereinandergelegten
Nb- und Al-Folien.
Diese Spule wird wie in der Zeichnung abgebildet in einen zylinderförmigen Kupferbehalter 2 eingeführt. Der Kupfer-
It
behalter kann an den beiden Enden offen sein. In einigen Fallen ist es jedoch vorteilhaft, dass der Kupferbehalter
zumindest an einem Ende geschlossen ist, insbesondere die plastische Verformung durch Strangpressen erfolgt.
Der Behalter mit der darin angeordneten Spule wird darauf einer plastischen Verformung zum Beispiel durch Ziehen
ausgei wird.
ausgesetzt, bis ein Kabel der gewünschten Grosse erzielt
Wahrend die Dicke der Nb-Folie nicht kritisch ist, wird die
Dicke der Al-Folie derart gewählt, dass sie am Ende des Verforniungsprozesses" weniger als etwa 1,5/ura beträgt.
Darauf wird das Kabel einer Warmbehandlung bei einer Temperatur
zwischen 80O0G und 100O0C unterzogen, so dass sich
durch Interdiffusion zwischen Nb und Al die supraleitende
B09 840/Ö36 4 " ·: ~
ORIGINAL INSPECTED ^ > , 'T
intermetallische- Verbindung Nb Al bildet und ein in eine
eingebettetes s erzielt wird.
Kupfermatrize eingebettetes supraleitendes Kabel aus Nb Al
Der Rundstab 1 aus Cu kann auch weggelassen werden. Die Verwendung des Eundstabes erleichtert das Aufwickeln des
Nb/Al-Folienpaares in Form einer Spule und die nachfolgenden
Verformungen des zusammengesetzten Zylinders·
Die Verformung kann auf verschiedene Art, wie zum Beispiel durch Strangpressen, Walzen, Gesenkschmieden usw. durchgeführt
werden.
Die Verformung wird normalerweise ohne Erhitzung durchgeführt.
Jedoch, wenn man. von grossen Durchmessern des Kupferbehalters ausgeht um sehr lange Kabel zu"erhalten,
kann eine Verformung unter Erhitzung durchgeführt werden. Die diesbezüglichen Temperaturen sind jedoch stets weit
unter der Temperatur der nachfolgenden wärmebehandlung und haben keinen -Einfluss auf die Bildung der intermetallischen
Verbindung.
Fur die Herstellung von vieldrähtigen supraleitenden Kabeln
kann eine Vielzahl von analog zum auf der anliegenden Zeichnung dargestellten Beispiel ausgelegten Elementen in
einem Kupferbehalter angeordnet werden. Darauf wird das
Ganze verformt, bis die Dicke der Al-Folie auf einen Wert unter etwa 1,5/um verringert wird, und schliesslich
einer Warmbehandlung bei einer Temperatur zwischen 8000C
und 10000C unterzogen.
Um die vorliegende Erfindung besser zu erläutern,folgt
509840/0364
Il
ein Ausfuhrungsbeispiel des erfindungsgemassen Verfahrens,
Über eine Nb-Folie mit' den folgenden Abmessungen:
. . lange : 500 mm Breite : '40 mm Dicke: 0,1 mm
wurde eine Al-Folie mit folgenden Abmessungen gelegt:
| Länge : | 4-80 | mm |
| Breite : | 40 | mm |
| Dicke | o, | 015mm |
Die beiden Folien wurden derart übereinandergelegt, dass die kürzere Al-Folie die darunterliegende Nb-Folie über
beinahe den ganzen Langenunterschied, das heisst über
Il
etwa 20 mm freilasst.
Il
Die derar.t ubereinandergelegten Folien wurden auf einen
zylindrischen Kupferkern mit einem Durchmesser von 3 mm zu einer Spule aufgewickelt. Dabei wurde zuerst der nicht
von der Aluminiumfolie bedeckte Abschnitt der Nb-Folie aufgewickelt, so dass das Kupferrundeisen mit dem Nb und nicht
mit dem Al in Berührung kommt.
Die auf diese Art un-d Weise erzielte Spule mit einem Gesamtdurchmesser
von 9 mm, deren Aussenoberflache aus Nb besteht, wurde in einen zylinderförmigen Kupferbehalter
mit einem Innendurchmesser von 9 mm und einem Aussendurch-
Il
messer von 14 mm eingeführt.
509840/0364
Der Behälter mit der darin angeordnetem Spule, welcher
im wesentlichen der anliegenden" Abbildung entspricht,
wurde gewalzt, bis ein Walzdräht mit den Abmessungen
3x3 mm erzielt wurde. Der Walzdraht wurde ansehüessend
gesenkgeschmiedet, bis ein Durchmesser von 1,66 mm
erreicht wurde, und schliesslich gezogen, bis ein Kabel mit einem Durchmesser von 0,2 mm erzielt wurde* Wahrend
diesem bei Zimmertemperatur durchgeführten Yerformungsprozess wurde das Produkt nicht nachgeglüht.
Nach der oben beschriebenen Verformung betrug die Dicke der -Al-Folie etwa 0,21 /um, da sie im Verhältnis 70 : 1
verkleinert wurde. Dieses Verhältnis ergibt sich aus dem Verhältnis zwischen dem Ausgangsdurchmesser des zusammengesetzten
Zylinders von 14 mm, und demjenigen des Kabels nach der Verformung, das heisst 0,2 mm. Dieses
Verhältnis entspricht pr—— = r— " Ausser den oben genannten
Kabelmustern mit einem Enddurchmesser von 0,2. mm
und einer Dicke der Al-Folie von etwa --* mm = 0,21 /um,
wurden auch in verschiedenen Zwischenstufen des oben erwähnten Verformungsprosesses Muster entnommen, und zwar
mit einem Durchmesser von 0,45 mm, 0,72 mm, 0,95 mm und
1,66 mm. Da die entsprechenden Verkleinerungsverhaltnis-
14 31
se in den verschiedenen Entnahmestufen - = -Λ — bzw.
0,45 1
0,72 " 1 Dzw* 0,95 1 1,66 1
wies ,die Al-Folie folgende Dicken auf: 2*231_ M = 0,48,U01" 2*212. „» = 0,77/a, ^
ji · / iy »4 / 14»(
0 015
1,02 /um und mm = 1,70/Um.
/ 8,4 * /
Die verschiedenen lauster wurden einer Warrabe hand lung bei
einer Temperatur zwischen 8000C und 10000C und über ver-
509840/036-4
schiedene Zeitspannen unterzogen, um die intermetallische Verbindung Nb Al zu entwickeln.·- ·' .
Alle Küster wurden ausserdera. einer Beugungsanalyse mit
Röntgenstrahlen unterzogen, um die Beschaffenheit der vorhandenen Phasen der intermetallischen Verbindungen
festzustellen. Ferner wurden Messungen mit kritischen
Stromwerten bei einer Temperatur von 4,20K in Abhängigkeit
eines Magnetfeldes bis 64.000 Gauss vorgenommen·
Il
Die ermittelten Daten und Ergebnisse der durchgeführten
Untersuchungen sind aus der folgenden Tabelle ersichtlich.
509840/036A
cn ο to
| Anzahl | Kabel- | Dicke Al- | Temperatur | Dauer der | 1 Vorhandene | Kritische Strom | (A) | 4,7 |
| Muster | durch- | Folie | Warmbehandlg. | Warmbehandlg. | intermetal | werte bei 64 K | 4,4 | |
| .messer | lische | Gauss | 3,9 | |||||
| (mm) | (mm) | ■' (°c) | (Std.) | Phasen | 4,8 | |||
| ·. t | 0,2 · | 0,21 | 950 | 0,5 | Nb3Al | 12,9 | ||
| '. 2 | 0,2 | 0,21 . | 950 | 1 | Nb3Al | 10,7 | ||
| i 3" | 0,2 | 0,21 | 950 | 0,5 | Nb3Al | 10,7 | ||
| 4 | 0,2 | 0,21 | 950 | 1,5 | Nb3Al | 10,1 | ||
| 5 | 0,45 | 0,48 | 950 | 1 | Nb3Al | 10,7, | ||
| 6 | .0,72 | 0,77 | 950 | 1 | Nb3Al | |||
| 7 | 0,72 | 0,77 | 950 | 2 | Nb3Al | |||
| 8 | 0,95 | 1 ,02 | 950 | 2 | Nb3Al | |||
| 9 | 1 ,66 | 1 ,78 | . 950 | 2 | Nb2Al + | |||
| Nb3Al |
Aus der Tabelle ist ersichtlich, dass bei Reaktionszeiten bis zu 2 Stunden nur die Phase Ifb.Al auftritt,
wenn die Dicke der Al-Folie nach der Verformung weniger als 1,5/um beträgt (Muster 1 - 8). Y/enn die JOlie dagegen
dicker als 1,5 /um ist (Muster 9), erscheinen auch
nicht supraleitende Phasen (im vorliegenden J?all die Phase Nb Al).
Die Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen klar aus
der obigen Beschreibung hervor, können aber folgendermassen
zusammengefasst werden«,
I ti H
Mit dem. erfindungsgemassen "/erfahren können ein- und
vieldrähtige supraleitende Kabel aus NbJIl bei industriell
annehmbaren Temperaturen hergestellt werden·
If
Ausserdera können damit mit Hilfe einer Kupfer ummantelung
verfestigte, das heisst in Kupfer eingebettete Kabel
erzielt werden*
509840/0364
Claims (7)
- PatentanwaltHamburg 1 · Beim Strohhcuse 34 den 17. März 1975Telefon: 24 *74S ~ *T -Anwaltsakte: 4869 · <(5. 2511656PATENTANSPRÜCHEΛ J Verfahren fur die Herstellung von supraleitenden Kabeln aus Nb ..Al, dadurch gekennzeichnet, dass eine Formation von übereinander gelegten Nb- und Al-Foliengebildet wird, diese Formation in einen Kupferbehalter eingeführt v/ird, dieser Küpferbehälter mit den darin angeordneten Folien einer plastischen Verformungsbearbeitung so lange ausgesetzt wird, bis die Dicke der Al-Folie auf einen Wert unter etwa 1,5/um verringert wird, und das derart bearbeitete Produkt schliesslich einer Warmbehandlung bei einer Temperatur zwischen 80O0C und 100O0C ausgesetzt wird.
- 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,Ildass in der Formation von ubereinandergelegten Nb- undII.Al-Folien die Nb- und Al-Folien derart ubereinandergelegt werden, dass zwischen zwei Nb-Folien eine Al- Folie zu liegen kommt, so dass ein Sandwich der Art Nb/Al/Nb o.der vorzugsweise ein Sandwich der Art Nb/Al/Nb/Al/Nb... /Nb erzielt wird.
- 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, .tidass fur die Bildung dieser Sandwichs eine Al-Folie
über eine Nb-Folie gelegt wird, und diese übereinanderliegenden Folien zu wenigstens einer die genannte Formation bildende Spule aufgewickelt werden. - 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass diese Spule um einen Kupferkern aufgewickelt wird.
- 5. Verfahren fur die Herstellung von supraleitenden .509840/0364Kabeln aus lib Αχ nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere vorzugsweise um, einen.Kupferkern zu Spulen gewickelte Formationen von über Nb-Folien gelegten Al-Folien gebildet werden,j ede zu Spule gewickelte Formation in einen Kupferbehälter eingeführt wird, dieserII'.Behalter in einem, geraeinsamen Kupferbehalter angeordnet werden, dieser gemeinsame Kupferbehalter danach einer plastischen Verformung ausgesetzt wird, bis die Dicke der Al-Folien auf einen Wert unter etwa 1,5/Um verkleinert wird und danach eine V/armbehandlung"des derart bearbeiteten Produktes bei einer Temperatur zwischen 8000C und 10000C durchgeführt wird.
- 6. Verfahren fur die Herstellung von supraleitenden Kabeln aus Fb,Al nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vorzugsweise um einen Kupferkern zu Spule gewickelte in einen Kupferbehälter eingeführte vonüber Nb-Folien gelegten Al-Folien bestehende Formation zusammen mit dem Behälter einer ersten plastischen Verformung ausgesetzt wird,· das-so bearbeitete Produkt in eine Vielzahl ■ von Abschnitten zerteilt wird, diese Abschnitte dann in einem gemeinsamen Kupferbehalter angeordnet werden, der gemeinsame Kup"ferbehalter dann einer weiteren plastischen Verformung so lange ausge-i setzt wird, bis die Dicke der Al-Folie auf einen Wert unter etwa 1,5/um herabgesetzt wird, und das so er-Ilhaltene -Produkt einer VYarniebehandlung bei einer Temperatur zwischen 8000C und 10000C ausgesetzt wird,
- 7. In Kupfereingebetteter supraleitende Kabel aus FbJIl, welche mit dem Verfahren nach einem beliebigen der obigen Ansprüche erzielt worden sind.509840/03
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| IT49510/74A IT1004408B (it) | 1974-03-22 | 1974-03-22 | Procedimento per la produzione di cavi superconduttori in nb3 al annegati in una matrice di rame e cavi super conduttori con esso ottenuti |
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