DE2805307C2

DE2805307C2 - Verfahren zur Herstellung supraleitender Schichten auf einem rohrförmigen Leiter

Info

Publication number: DE2805307C2
Application number: DE2805307A
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz 3008 Garbsen Marx; Peter Dr.Rer.Nat. 3004 Isernhagen Rohner; Friedrich 3012 Langenhagen Schatz
Original assignee: Kabelmetal Electro GmbH
Current assignee: Kabelmetal Electro GmbH
Priority date: 1978-02-08
Filing date: 1978-02-08
Publication date: 1987-02-12
Also published as: JPS54108594A; SU1166670A3; US4181543A; DE2805307A1; GB1577287A

Description

Die Erfindung betrifft einVerfahren zur Herstellung supraleitender Schichten aus intermetallischen Verbindungen auf der Oberfläche eines rohrförmigen metallischen Leiters, bei dem zunächst ein mit zumindest einem der die intermetallische Verbindung bildenden Partner beschichtetes Metallband kontinuierlich zum Schlitzrohr geformt, längsnahtverschweißt und ggf. gewellt, vor oder nach dem Schweißen auf die die intermetallische Verbindung bildende Schicht der zweite Partner aufgebracht und dann das Rohr zur Bildung der supraleitenden Schicht unter Vakuum geglüht wird.
Um den Aufwand der Kühlung zur Aufrechterhaltung des supraleitenden Zustandes zu verringern ist man bestrebt, Legierungen zu verwenden, die eine möglichst hohe Sprungtemperatur aufweisen. So ist es bekannt, daß einige intermetallische Verbindungen des Niobs sehr hohe Sprungtempe -raturen wie beispielsweise Nb₃Sn von 18 Kelvin aufweisen.
Zur Herstellung derartiger intermetallischer Verbindungen auf der Oberfläche eines metallischen Leiters ist es bekannt, ein Schichtband aus Niob und Kupfer kontinuierlich zu einem Rohr zu formen, längsnahtzuverschweißen und anschließend zu wellen. Dieses Wellrohr wird mit einer Zinnschicht versehen und unter Vakuum bei 950°C geglüht. Da die intermetallische Niob-Zinn-Verbindung sehr spröde ist, wird diese erst auf dem gewellten Rohr erzeugt. Die durch Aufwickeln und Verlegen auftretenden mechanischen Belastungen können von der Niob-Zinn-Verbindung ohne Beschädigung aufgenommen werden (DE-OS 24 43 226).
Es hat sich jedoch bei diesem Verfahren als nachteilig herausgestellt, daß dieses nur im Labormaßstab für kleine Proben leicht durchzuführen ist, aber auf Schwierigkeiten stößt, wenn es um die Fertigung größerer Längen von einigen hundert Metern geht. Das Problem dabei ist, daß das Glühen in einem Hochvakuum erfolgen muß, um beim Diffusionsprozeß an der Außenfläche des Wellrohres das Eindringen von Fremdstoffen zu verhindern. Anschließend ist ebenfalls unter Hochvakuum eine forcierte Abkühlung notwendig, so daß ein einfaches Fluten des Glühofens, zum Beispiel mit Argon, zum Abkühlen des Wellrohres nicht ausreicht.
Der Erfindung liegt von daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem es möglich ist, einen stabilisierten Supraleiter großer Länge in wirtschaftlicher Weise herzustellen, der an seiner Oberfläche eine möglichst reine Nb₃Sn-Schicht trägt.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß bei einem Verfahren der eingangs erwähnten Art das Rohr in Form einer Wendel in den Glühofen eingebracht wird, und die Wendel an einem nichtmetallischen Haltekörper mit Abstand zwischen den einzelnen Windungen aufgehängt wird, und daß das Rohr nach Beendigung des Glühprozesses durch Einführen eines kühlen Mediums in den Innenraum des Rohres beschleunigt abgekühlt wird.
Das Aufhängen in Form einer Wendel zieht den Vorteil nach sich, daß in einem relativ kleinen Glühofen große Längen des zu glühenden Rohres untergebracht werden können. Das Aufhängen an einem nichtmetallischen Haltekörper mit Abstand zwischen den einzelnen Windungen sorgt dafür, daß keine Verlötung zwischen den Windungen untereinander und dem Haltekörper auftreten kann. Durch das Einführen des kalten Mediums in das Innere des Rohres kann die relativ dünne Rohrwand extrem schnell abgekühlt werden. Es hat sich nämlich als wesentlich erwiesen, daß die Abkühlungsgeschwindigkeit für die Bildung stabiler reiner supraleitender Schichten mindestens 20-40°C/sec betragen muß. In Weiterbildung der Erfindung hat es sich als vorteilhaft erwiesen, das Rohr mit einem Schutzgas abzukühlen. Dadurch wird die metallisch blanke Oberfläche des Metallrohres erhalten. Für das Verfahren gemäß der Lehre der Erfindung hat sich die Werkstoffkombination Niob-Zinn als besonders zweckmäßig erwiesen. Dabei stellt man zunächst ein Schichtband aus Kupfer und Niob her, welches, wie beschrieben zum Wellrohr verformt wird, und beschichtet das gewellte Rohr mit Zinn zwecks Bildung einer Nb&sub3;Sn-Schicht. Aber auch eine Zinnbeschichtung vor dem Wellen ist denkbar. Der Verbund zwischen Kupfer und Niob wird in an sich bekannter Weise durch Einbürsten von Kupferpartikeln in die Nioboberfläche und anschließendes Aufgalvanisieren des Kupfers bewirkt. Vor Beginn des Glühens werden die Enden des Rohres vakuumdicht aus dem Glühprozeß herausgeführt, damit das Vakuum erzeugt werden kann und das Kühlmittel in das Innere des Rohres nach dem Glühprozeß eingeführt werden kann. Da das Abdichten unter Umständen recht aufwendig sein kann, hat es sich als vorteilhafter erwiesen, die Enden des Rohres vor Beginn des Glühens an entsprechende vakuumdicht aus dem Ofen herausgeführte Leitungen anzuschließen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Fig. 1 und 2 schematisch dargestellt und wird im folgenden näher erläutert.
Auf ein Niobband wird, wie in der DE-OS 23 08 747 beschrieben, zunächst Kupfer aufgebürstet und in einem nachfolgenden Arbeitsgang diese Kupferschicht durch einen galvanischen Prozeß vergrößert. Durch Walzen wird das so erhaltene Band gestreckt und in einem nachfolgenden Glühprozeß die durch das Walzen aufgetretenen Kaltaushärtungen beseitigt.
In einem kontinuierlichen Arbeitsprozeß wird das so erhaltene Band zu einem Schlitzrohr verformt, an seinen Längskanten mittels elektrischer Lichtbogenschweißung verschweißt und gewellt. Unmittelbar nach dem Wellen wird in geeigneter Weise, beispielsweise durch Tauchen, die Niobschicht, die zweckmäßigerweise außen liegt, mit einer Zinnschicht versehen. Das so erhaltene Wellrohr 1 wird in Form einer Wendel auf eine Stange 2 aus keramischem Material aufgehängt, und zwar so, daß sich die einzelnen Windungen der Wendel nicht berühren. Die Stange 2 wird dann mit dem Wellrohr in einen Glühofen 3 eingeführt und in einer Halterung 4 gelagert. Die Enden 5 und 6 werden durch Öffnungen 7 und 8 aus dem Innern des Glühofens 3 herausgeführt und der Zwischenraum zwischen den Wellrohrenden 5 und 6 und den Öffnungen 7 und 8 mit einem geeigneten Dichtmittel vakuumdicht verschlossen. Ein Ende des Wellrohres 1 wird an ein Gebläse 9 angeschlossen. Der Glühofen 3 wird sodann evakuiert, zweckmäßigerweise bis auf 10^-4 Torr und anschließend bis auf 950°C aufgeheizt. Der Glühprozeß dauert ca. 2 Stunden, wobei das Zinn in die Niobschicht eindiffundiert und die intermetallische Verbindung Nb₃Sn bildet. Nach ca. 2 Stunden wird die Heizung des Glühofens 3 abgestellt und mittels des Gebläses 9 ein Schutzgas in das Wellrohr 1 eingeblasen, so daß sich dieses beschleunigt abkühlt. Nachdem das Wellrohr 1 eine genügende tiefe Temperatur erreicht hat, wird der Glühofen 3 geöffnet und das Äußere des Wellrohres 1 der Luftatmosphäre ausgesetzt. Die Ausbildung der Stange 2 und das Einhalten eines Abstandes zwischen den Windungen des Wellrohres 1 verhindert, daß diese Teile miteinander verlöten.
Temperatur und Strömungsgeschwindigkeit des in das Wellrohr 1 eingeblasenen Schutzgases sollten so eingestellt sein, daß sich eine Abkühlungsgeschwindigkeit von mehreren Grad pro Sekunde ergibt.
Um nicht jedesmal die Enden 5 und 6 des Wellrohres 1 aus dem Glühofen 3 herausführen und den Ringraum zwischen den Öffnungen 7 und 8 abdichten zu müssen, hat es sich als zweckmäßig erwiesen, eine vakuumdicht durch die Wandung des Glühofens hindurchgeführte Leitung vorzusehen, an die die Enden 5 und 6 des Wellrohres 1 leicht angeschlossen werden können.
Die Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch die Wandung des Wellrohres 1 unmittelbar vor dem Glühen. Der weitaus größte Teil der Wandung besteht aus Kupfer 10, welches mit einer Niobschicht 11 fest verbunden ist. Auf das Niob 11 ist eine Zinnschicht 12 aufgebracht, die bei Temperaturen in der Größenordnung von 950°C und bei Aufrechterhaltung eines Hochvakuums in die Niobschicht eindiffundiert und dabei die für die Supraleitertechnik geeignete intermetallische Verbindung Nb₃Sn bildet.
Der wesentliche Vorteil, der durch das erfindungsgemäße Verfahren erzielt wird, ist darin zu sehen, daß die relativ spröde Nb₃Sn-Schicht erst auf dem fertigen rohrförmigen Supraleiter erzeugt wird und nicht die beim Formen des Bandes zu einem Rohr und dem Wellen auftretenden mechanischen Beanspruchungen aufnehmen muß. Der fertige Supraleiter kann auf Kabeltrommeln geeigneter Größe aufgewickelt werden und verlegt werden, ohne daß die Nb₃Sn-Schicht Schaden leidet.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung supraleitender Schichten aus intermetallischen Verbindungen auf der Oberfläche eines rohrförmigen metallischen Leiters, bei dem zunächst ein mit zumindest einem der die intermetallische Verbindung bildenden Partner beschichtetes Metallband kontinuierlich zum Schlitzrohr geformt, längsnahtverschweißt und ggf. gewellt, vor oder nach dem Schweißen auf die die intermetallische Verbindung bildende Schicht der zweite Partner aufgebracht und dann das Rohr zur Bildung der supraleitenden Schicht unter Vakuum geglüht wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr in Form einer Wendel in den Glühofen eingebracht wird, und die Wendel an einem nichtmetallischen Haltekörper mit Abstand zwischen den einzelnen Windungen aufgehängt wird, und daß das Rohr nach Beendigung des Glühprozesses durch Einführen eines kühlen Mediums in den Innenraum des Rohres beschleunigt abgekühlt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr mit einem Schutzgas abgekühlt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden des Rohres vor Beginn des Glühens vakuumdicht aus dem Glühofen herausgeführt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden des Rohres vor Beginn des Glühens an entsprechende vakuumdicht aus dem Ofen herausgeführte Leitungen angeschlossen werden.