DE2826810A1 - Supraleiter und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents
Supraleiter und verfahren zu dessen herstellungInfo
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Description
- Supraleiter und Verfahren zu dessen Herstellung
- Die Erfindung betrifft einen aus Supraleitermaterial, einem aushärtbaren Verstärkungsmaterial und einem bei der Betriebstemperatur der Supraleitermaterials elektrisch normalleitenden Material zusammengesetzten Leiter und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
- Es sind bereits mechanisch verstärkte Supraleiter unterschiedlichen Aufbaus bekannt. Mechanisch verstärkte Supraleiter werden insbesondere für die Wicklungen von supraleitenden Großmagneten benötigt, bei deren Betrieb die Wicklungen großen Kräften ausgesetzt sind. Bei einer bekannten Hohlleiter (DE-OS 23 87 993) besteht das Rohr beispielsweise aus einer bei 200 bis 300 0C aushärtbaren Kupfer-Beryllium-Legierung mit 1,5 bis 3 Gew. Beryllium, welche eine höhere Festigkeit aufweist als der aus elektrisch nor alleitenden Metall, beispielsweise Kupfer, mit eingelagerten supraleitfähigen Niob-Titan-Drähten bestehende bandförmige Leiter selbst. Die Temperatur der zur Aushärtung des Rohrmaterials dienenden Wärmebehandlung ist dabei allerdings so niedrig zu halten, daß zwar einerseits die gewünschte Festigkeitssteigerung des Bohrmaterials erreicht wird, andererseits aber die Supraleitungseigenschaften der im bandförmigen Leiter enthaltenden Supraleiter noch nicht beeinträchtigt werden können.
- Bei einer weiteren Leiteranordnung (DE-OS 26 54 924) sind mehrere Stränge aus einer normalleitenden Matrix, beispielsweise aus CuSn- oder CuGa-Bronze, mit eingelagerten Filamenten aus einer Komponente einer supraleitenden Verbindung vom Typ ß-Wolfram, beispielsweise Nb oder V, zu einen Verbundkabel verseilt. Durch eine Wärmebehandlung nach des Verseilen werden dann die Filamente ganz oder teilweise in die supraleitende Verbindung, zum Beispiel Nu 3in oder V3Ga, umgewandelt. Naehteilig ist herbei jedoch, daß die Stränge zwar gemeinsam mit den Verstärkungsdrähten zu einen Verbundkabel verseilt werden können, eine nachfolgende Formgebung jedoch nicht mehr ausgeführt werden kann, weil die Verstärkungselemente gegenüber den Strängen in der Regel eine stark abweichende Verarbeitungstemperatur aufweisen. Das Verstärkungsmaterial kann nur durch einen zusätzlichen, sehr aufwendigen Fertigungsschritt in das Verbundkabel eingebracht werden, wobei eine Anzahl von supraleitenden Strängen vor oder nach der Diffusionsbehandlung entfernt und in den entsprechenden Hohlräumen Verstärkungsmaterial gleicher Abmessung angeordnet wird. Oder aber die fertigen supraleitenden Stränge müssen in ein Verstärkung,-material eingebettet werden. Hierfür ist jedoch ebenfalls ein zusätzlicher Fertigungsschritt erforderlich.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen mechanisch verstärkten Leiter derart auszugestalten, daß er vor der Bildung der supraleitenden intermetallischen Verbindung in seiner Gesamtheit verformbar ist.
- Bei einer Leiter der eingangs erwähnten Art wird dies erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß das Supraleitermaterial aus einer intermetallischen Verbindung und das Verstärkungsmaterial aus einer aushärtbaren Metallegierung besteht, deren Homogenisierungstemperaturbei oir oberhalb und deren Aushärtungstemperatur unterhalb der Bildungstemperatur der supraleitenden intermetallischen Verbindung liegt.
- Der mechanisch verstärkte Leiter erhält somit als Leiterkomponente ein aushärtbares Verstärkungimaterial, das seine maximalen Festigkeitseigenzchaften erst durch Aushärtung nach der Wärmebehandlung erhält, die für die Bildung der supraleitenden intermetallischen Verbindung verantwortlich ist.
- Dies ist insofern vorteilhaft, als das duktile Verstärkungsmaterial vor der Aushärtung mit den übrigen Leiterkomponenten ohne Schwierigkeit bearbeitet werden kann. Auch sind besondere Maßnahmen zur Herstellung einer festen mechanischen Verbindung zwischen der Verstärkungsmaterial und den übrigen Leiterteilen nicht mehr erforderlich. Bisher führte insbesondere das naehträgliche Verlöten der bereits durch eine Diffusionswärmebehandlung reagierten Leiter mit den Verstärkungsmaterial häufig zu inneren Verspannungen, beziehungsweise zu mechanischen Schädigungen der Filamentleiter, so daß sich die Stromtragfähigkeit des Leiters erheblich erniedrigte.
- Als Supraleitermaterial eignet sich insbesondere die intermetallische Verbindung Nb3Sn, während sich für das Verstärkungsmaterial eine aushärtbare CuNiMn-Legierung mit 20 Gew.% Nickel und 20 Gew.% Mangan als besonders günstig erwiesen hat. Diese aushärtbare Legierung kann beispielsweise nach einer Homogenisierungsglühung bei etwa 80000 abgeschreckt werden und ist dann mit den übrigen Leiterkomponenten verformbar. Nach einer Aushärtungsbehandlung, beispielsweise von 8 Stunden bei 40000, weist diese Kupferlegierung hohe Härte-und Festigkeitswerte auf. Gegenüber den abgeschreckten Zustand steigt der Wert für die Streckgrenze bei 2 % bleibender Dehnung von 195 auf 795 N/zm2.
- Durch die gemeinsame Verarbeitung des bis zur Aushärtungsbehandlung duktilem Verstärkungsmaterials mit den-übrigen Leiterkomponenten ist es möglich, die Verstärkung im Leiter geometrisch völlig beliebig anzuordnen. Bei einer besonders einfachen Ausführungsform ist das Verstärkungsmaterial in der normalleitenden Matrix in Form wenigstens eines Drahtes eingebettet. Das Verstärkungsmaterial kann aber auch vorteilhaft die im normal leitenden Material eingebetteten supraleitenden Filamente umschließen.
- Zur Vermeidung einer unerwünschten Diffusion, beispielsweise der niedrigschmelzenden Komponente Zinn der supraleitenden Verbindung Nb3Sn in das Yerstärkungsmaterial ist es ferner günstig, zwischen den die niedrigschmelzende Komponente der supraleitenden Verbindung enthaltenden normalleitenden Material und der Yerstärkungsmaterial ein diffusionshemmendes Material anzuordnen. Dieses verhindert, daß Fremdatome die Aushärtung, beziehungsweise die Festigkeitseigenschaften des Verstärkungsmaterials nachteilig beeinflussen. Tantal hat sich für diesen Zweck als besonders geeignet erwiesen.
- Besonders günstig ist die Herstellung des erfindungsgemäßen Leiters nsch der Bronsetechnik, wobei zunächst ein Aufbau aus Stäben aus der hochschmelzenden Legierungskoaponente der supraleitenden intermetallischen Verbindung, beispielsweise aus Niob, und diese umgebendem norsalleitenden, die niedrigachmelzende Komponente enthaltendem Material, beispielsweise einer CuSn-Bronze mit etwa 13,5 Gew. Zinn, gebildet wird. Das duktile aushärtbare Verstärkungsmaterial kann entweder ebenfalls innerhalb des normalleitenden Materials angeordnet sein oder aber dieses umschließen. Vorteilhaft befindet sich zwischen n~n alleitenden Material und Verstärkungsmaterial noch ein unerwünschte Diffusionsvorgänge heizendes Material. Diese Anordnung wird zunächst unter Einschaltung von Zwischen~ glühungen, deren Temperatur unterhalb der Bildungstemperatur der supraleitenden intermetallischen Verbindung und oberhalb der Aushärtungstemperatur des Verstärkungsmaterials liegt, auf die endgültige Leiterdimension verformt. Die Zwischenglühungen dienen dabei zur Erholung des Gefüges von normalleitendem und Verstärkungsmaterial. Die supraleitende intermetallische Verbindung wird dann durch eine Diffusionswärmebehandlung gebildet, die beispielsweise für die Bildung von Nu 3in zwischen etwa 650 und 750 0C durchgeführt wird. Das bis zu diesem Zeitpunkt noch als duktile Leiterkomponente enthaltende Verstärkungsmaterial wird abschließend einer Aushärtungsbehandlung unterworfen, wobei diese bei einer Temperatur durchgeführt wird, die sowohl unterhalb der Bildungstemperatur der supraleitenden intermetallischen Verbindung als auch unterhalb der Zwischenglühtemperatur liegt.
- Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Verstärkungsmaterial durch eine Wärmebehandlung im Temperaturbereich von 375 bis 4250C ausgehärtet wird.
- Anhand einiger Figuren soll die Erfindung noch näher erläutert werden.
- Die Fig. 1 und 2 zeigen schematisch bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Leiters im Querschnitt.
- Der in Fig. 1 gezeigte Leiter enthält ein elektrisch norualleitendes Material i, das die niedrigschmelzende Komponente der supraleitenden intermetallischen Verbindung enthält. In diesem normalleitenden Material 1, beispielsweise einer CuSn-Bronse mit 13,5 Ges. Zinn, ist eine Vielzahl von Filamenten 2 der supraleitenden intermetallischen Verbindung, beispielsweise Nb3Sn, eingebettet, die durch eine Diffusionsvärmebehandlung entstanden sind. Dabei ist die in normalleitenden Material enthaltene niedrigschmelzende Komponente in die höher schmelzende Komponente eindiffundiert und hat mit dieser unter Bildung der intermetallischen Verbindung reagiert. Diese Anordnung ist von einem aushärtbaren Verstärkungsmaterial 3, beispielsweise einer CuNiMn-Legierung mit je 20 Ges.% Nickel und Mangan, Rest Kupfer, umgeben. Zwischen der Verstärkungsmaterial 3 und der normal leitenden Material 1 ist ein Material 4 zur Verhinderung unerwünschter Diffusion vorgesehen, beispielsweise Tantal.
- Ein solcher Leiter kann zum Beispiel auf folgende Weise hergestellt werden. Man geht von einen Aufbau aus einem CuSn-Bronseblock mit etwa 13,5 Gew.% Zinn aus, in den 85 Niobstäbe eingelagert sind. Dieser wird querschnittsverringernd bis auf einen Enddurchmesser von etwa 20 ms bearbeitet und dann in einzelne Stücke zerteilt. 121 solcher Stücke werden zu einem Bündel zusammengefaßt und in ein Tantal rohr eingesetzt, das wiederum von einen Rohr aus einer aushärtbaren CuNi>(n-Legierung mit 20 Ges. Nickel und 20 Ges.% Mangan umhüllt wird. Dieses Vorprodukt wird zunächst im Temperaturbereich von 600 bis 800 0C stranggepreßt und dann weiteren querschnittsverringernden Verarbeitungsschritten unterzogen, wobei zur Erholung des Gefüges der CuSn-Bronze und des Verstärkungsmaterials von Zeit zu Zeit Zwischenglühungen bei 500 bis 6000C eingelegt werden. Die Niobfäden haben bei den endgültigen Leiterdurehmesser von etwa 1 mm einen Durchmesser von ungefähr 3µm. Die supraleitende intermetallische Verbindung Nb3Sn wird dann durch eine 20-stündige Diffusionswärmebehandlung bei etwa 700 0C gebildet.
- Daran schließt sich eine weitere Wärmebehandlung im Temperaturbereich von 375 bis 425 0C an, die die CuNiMn-Legierung aushärtet. Diese Aushärtungsbehandlung dauert je nach der gewählten Temperatur 5 bis 10 Stunden.
- Eine andere Ausführungsform des anmeldungsgemäßen Leiters ist in Fig. 2 dargestellt. Hierbei ist das Verstärkungsmaterial 13 als Draht zentral im normalleitenden Material 11 angeordnet, in der die supraleitenden Filamenta 12 eingebettet sind. Das Verstärkungsmaterial ist wieder mit einem diffusionshemmenden Material 19 umgeben.
- Insbesondere bei größeren Supraleitungsspulen kann es vorteilhaft sein, eine zusätzliche Stabilisierung aus einem bei der Betriebstemperatur des Supraleitermaterials elektrisch norsalleitendem Metall mit hoher elektrischer und thermischer Leitfähigkeit vorzusehen, wie beispielsweise Kupfer, Aluminium oder Silber. Diese Materialien können zum Beispiel zusätzlich ins normalleitende Material eingelagert und ebenfalls von einer diffusionshemmenden Schicht umgeben sein.
- Der erfindungsgemäße Leiter ist nicht auf die beiden Ausführungsformen beschränkt. Auch andere Leitergeometrien können gewählt werden, beispielsweise kann der Leiter rechteckigen oder polygonalen Querschnitt haben oder auch rohrförmig ausgebildet sein.
- Ferner können auch mehrere der in den Fig. 1 und 2 dargestellten monolithischen Leiter miteinander oder um ein zusätzliches Verstärkungselement verseilt werden. Dieser Verbundkabelaufbau ist wegen der vollständigen Transposition der einzelnen Filamentleiter innerhalb des Kabels besonders zweckmäßig. Für Magnetspulenanwendungen wird auch hierbei die Wärmebehandlung erst nach der Bildung der supraleitenden intermetallischen Verbindung durchgeführt. Diese kann in an sich bekannter Weise vor oder nach den Wickeln der Spule erfolgen. Das gleiche gilt für die Aushärtung.
- Anzumerken ist ferner, daß das diffusionshemmende Material sowohl eine Diffusion der niedrigschmelzenden Komponente der supraleitenden intermetallischen Verbindung, beispielsweise Zinn, in das Verstärkungsmaterial als auch der Fremdatome des Verstärkungssaterials in das normalleitende Material verhindern soll. Leerseite
Claims (9)
- Patentansprüche 1. Aus Supraleitermaterial, einem aushärtbaren Verstärkungsmaterial und einem bei der Betriebs temperatur des Supraleiter materials elektrisch normalleitendem Material zusammengesetzte Leiter, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Supraleiteriaterial aus einer mindestens zwei Elemente enthaltenden supraleitenden intermetallischen Verbindung (2) und das Verstärkungsmaterial (3) aus einer aushärtbaren Metalllegierung besteht, deren Eonogenisierungiexperatur bei ader oberhalb und deren Aushärtungstemperatur unterhalb der Bildungstemperatur der supraleitenden intermetallischen Verbindung liegt.
- 2. Leiter nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c hn e t, daß die supraleitende internetallische Verbindung (2) Nb3Sn ist und das Verstärkungsmaterial (3) aus einer CuNiMn-Legierung mit 20 Ges. Nickel und 20 Gew. Mangan besteht.
- 3. Leiter nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß in das normalleitende Material (1) eine Vielzahl von Filamenten aus der supraleitenden intermetallischen Verbindung (2) eingebettet ist.
- 4. Leiter nach einen der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das normalleitende Material(1) die niedrig schmelzende Komponente der supraleitenden Verbindung (2) enthält.
- 5. Leiter nach einem der Ansprüche 1 bis 4 g e k e n n -z e i c h n e t durch wenigstens einen in das normalleitende Material (ii) eingebetteten Draht (13) aus Verstärkungsmaterial.
- 6. Leiter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da du r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Yerstärkungsmaterial (5) das normalleitende Material (i) umhüllt.
- 7. Leiter nach einen der Ansprüche 1 bis 6, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß sich zwischen der normalleitenden Material (i) und dem Verstärkungsmaterial (3) ein Material (4) zur Verhinderung unerwünschter Diffusion befindet.
- 8. Verfahren zur Herstellung eines Leiters nach einer der Ansprüche 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß zunächst eine aus den Leiterkomponenten gebildete Anordnung unter Einschaltung von Zwischenglühungen, deren Temperatur unterhalb der Bildungstemperatur der supraleitenden intermetallischen Verbindung und oberhalb der Aushärtungstemperatur des Verstärkungsmaterials liegt, auf die endgültige Leiterdimension verformt, dann bei der Bildungstemperatur der supraleitenden intermetallischen Verbindung geglüht und anschließend das noch duktile Veritärkungsiaterial bei einer Temperatur ausgehärtet wird, die sowohl unterhalb der Bildungstemperatur der supraleitenden intermetallischen Verbindung als auch unterhalb der Temperatur für die Zwischenglühungen liegt.
- 9. Verfahren nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß das Verstärkungsmaterial durch eine Wärmebehandlung im Temperaturbereich zwischen 375 und 4250C ausgehärtet wird.
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| DE Buch "Dies" Kupfer und Kupferlegierungen in der Technik Springerverlag 1976, S. 214/215 * |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE3203222A1 (de) * | 1981-01-30 | 1982-12-16 | Teledyne Industries, Inc., 90067 Los Angeles, Calif. | Streckmetall enthaltende draehte und faeden sowie verfahren zur herstellung derselben |
| DE3243265C2 (de) * | 1981-04-30 | 1994-12-01 | Mitsubishi Electric Corp | Supraleitende Materialien und Verfahren zu deren Herstellung |
| US4501062A (en) * | 1982-02-27 | 1985-02-26 | Vacuumschmelze Gmbh | Stabilized super-conductor having a diffusion-inhibiting layer therein and method of producing same |
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| US4927985A (en) * | 1988-08-12 | 1990-05-22 | Westinghouse Electric Corp. | Cryogenic conductor |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE2826810C2 (de) | 1988-02-25 |
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