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Verfahren zur Herstellung eines Filamente enthaltenden
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Verbundkörpers Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung
eines draht- bzw. stabförmigen Verbundkörpers mit einer Vielzahl von Filamenten,
die im wesentlichen parallel zur Längsachse des Verbundkörpers verlaufen und mit
Abstand voneinander in den Verbundkörper eingebettet und durch querschnittsvermindernde
Verformung mit dem übrigen Material des Verbundkörpers fest verbunden sind, wobei
die Filamente vor der Verformung zunächst in Form einer Matte vorliegen und die
Matte zu einer Rolle aufgewickelt wird.
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In der Zeitschrift IEEE RANShCTIOBTS ON MAGNEDICS, Vol.
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tUG-19, No. 3, Mai 1983, Seiten 1124 bis 1127, ist ein Verbundkörper
beschrieben, der eine Vielzahl von Filamenten aus Niob enthält und als Supraleiter
Verwendung findet. Um sehr viele Filamente in einem einzigen Arbeitsgang in den
Breiter einzuschließen, werden netzförmig ausgestanzte Bleche, sogenannte Streckmetalle,
jeweils zu einer Rolle aufgewickelt und dann in ein Hüllrohr eingeführt. Der so
gebildete Bolzen wird gepreßt und gezogen, so daß sich sein Querschnitt erheblich
vermindert. Hierdurch reißen die Querbräcken in dem Streckmetall weitgehend ab,
so daß sich in dem gebildeten Verbundkörper einzelne Filamente aus Niob befinden.
Das übrige Material des Verbundkörpers besteht für den Einsatz als Supraleiter meistens
aus Kupfer und Zinn, so daß durch eine Wärmebehandlung die Niobfilamente eine supraleitende
Nb 3Sn-Schicht erhalten.
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Ein weiteres, schon wesentlich länger bekanntes Verfahren zur Herstellung
eines Verbundkörpers mit einer Vielzahl von Filamenten ist beispielsweise in der
DE-OS 32 07 159 beschrieben. Der dort dargestellte Verbundleiter wird aus Stäben
zusammengesetzt, von denen jeder bereits aus mehreren in Bronze eingebetteten Niobstäben
besteht. Um also einen Verbundkörper mit sehr vielen Filamenten herzustellen, hat
man zwei Bündelungsschritte hintereinander durchführen müssen.
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Das in der Zeitschrift IEEE GRANSACTIONS ON MAGNEUICS beschriebene
Fertigungsverfahren kommt demgegenüber auch bei relativ vielen einzuschließenden
Filamenten mit nur einem Bündelungsschritt aus. Gegenüber dem in der genannten DE-OS
32 07 159 dargestellten Leiter müssen jedoch auch Nachteile in Kauf genommen werden.
Außerdem haben die die Filamente bildenden Stege des Streckmetallbleches zwangsläufig
einen gestreckten, rechteckigen bzw. ovalen Querschnitt.
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Dies verursacht bei der Querschnittsverminderung durch Pressen oder
Ziehen eine unsymmetrische Querschnittsverminderung und Kerbwirkung, vor allem bedingt
durch die auftretenden großen Kraftkomponenten in radialer Richtung.
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Hierdurch wird das Ausmaß der zulässigen Querschnittsverminderung
begrenzt. Dies hat zur Folge, daß nur relativ geringe Durchmesser des ursprünglichen,
die Rolle enthaltenden Bolzens Verwendung finden können, so daß die herzustellenden
Längen des Verbundkörpers gegenüber der Methode mit Nehrfachbündelung begrenzt sind.
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Da bei der Verwendung der Filamente als Träger für eine supraleitende
Schicht jeweils die größte Abmessung eines Filamentes für die bei Wechselstrom auftretenden
Wirbel-und Hystereseverluste entscheidend ist, besitzt das Ver-
fahren
der Nehrfachbündelung wesentliche Vorteile dadurch, daß dort runde Querschnitte
für die Filamente verwendet werden können. So kann es vorkommen, daß die zwischen
den in ~längsrichtung verlaufenden Filamenten bestehenden Verbindungen in dem Streckmetall
bei der Querschnittsverminderung nicht vollständig abreißen und so Brücken zwischen
den Filamenten erhalten bleiben, die im Falle der Verwendung als Supraleiter bei
Wechselstrom Wirbel- und Hystereseverluste verursachen.
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Weiterhin ist es einfach, durch Mehrfachbündelung den für die Verwendung
als Supraleiter optimalen Durchmesser der Filamente von etwa 3 p bei großen Längen
des Verbundkörpers einzustellen.
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Ein Filamentdurchmesser von 3 > wird bei Nb3Sn-Supraleitern deswegen
als optimal angesehen, da sich dann durch Feststoffdiffusion eine Nb3Sn-Schicht
von etwa 1 IL bilden kann. Diese Schichtdicke bestimmt die für den Strom zur Verfügung
stehende Querschnittsfläche. Durch das Vergrößern dieser Schicht bei der Diffusion
von Zinn in das Niob vergrößern sich jedoch auch die Kristalle in der Nb 3Sn-Schicht
und damit verringert sich die Zahl der Korngrenzen, an denen sich bei einwirkenden
Wechselfeld die magnetischen Flußlinien festhalten können.
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Die maximal erreichbare Stromdichte hängt aber von der Anzahl dieser
Korngrenzen ab, so daß man sagen kann, daß eine zunehmende Schichtdicke einerseits
die Querschnittsfläche für den Strom vergrößert, jedoch andererseits die maximal
erreichbare Stromdichte verringert. Da die Stromtragfähigkeit das Produkt aus diesen
zwei Größen ist, gibt es einen optimalen Bereich für die einzustellende
Schichtdicke,
der bei Nb3Sn-Supraleitorn etwa bei 1 p liegt.
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Aber auch für andere Anwendungen derartiger Verbundkörper können Gründe
vorhanden sein, die einen sehr kleinen Filamentdurchme sser wünschenswert machen.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Verfahren
anzugeben, das die Vorteile der beiden erläuterten, bekannten Verfahren in sich
vereinigt.
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Bei dem eingangs genannten Verfahren entsprechend dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 besteht die Erfindung darin, daß die Matte aus zueinander
parallelen Längsdrähten (A,B) mit kreisrundem Querschnitt zusammen mit im wesentlichen
senkrecht dazu verlaufenden Verbindungsdrähten (c) so gewebt oder geflochten wird,
daß der Abstand der Längsdrähte (A,B) voneinander kleiner ist als der Abstand der
Verbindungsdrähte (C).
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Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind
in den Unteransprüchen beschrieben.
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Die Figuren 1 und 2 zeigen in zwei Ansichten das Entstehen einer gewebten
Matte, wie sie zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet wird.
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Figur 3 zeigt den Aufrollvorgang und Figur 4 einen Querschnitt durch
einen die aufgerollte Matte haltenden Bolzen vor der querschnittsvermindernden Verformung.
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Figur 5 zeigt den Querschnitt von Einkerndrähten, die als Längsdrähte
Verwendung finden können.
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In den Figuren 1 und 2 wird angenommen, daß allgemein ein Verbundkörper
aus zwei verschiedenen Materialien hergestellt werden soll. Es werden jeweils mit
A die Längsdrähte bezeichnet, die später die Filamente bilden sollen, während B
Längsdrähte sind, die aus sonstigem Material des Verbundkörpers bestehen und die
hier die Aufgabe haben, die Längsdrähte A voneinander zu separieren. Senkrecht dazu
verlaufen Verbindungsdrähte C, die die Funktion der beim Weben zu verwendenden Kette
erfüllen und teilweise als Lochfäden und als Schlitzfäden fungieren.
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Die Verbindungsdrähte C bestehen wie die Längsdrähte B aus einem sonstigen
Material des Verbundkörpers, so daß benachbarte Längsdrähte A nicht durch Brücken
aus gleichem Material verbunden sind. Die Verbindungsdrähte C bilden zusammen eine
Kette 1, die von einem Kettbaum 2 abgewickelt wird. Die fertige Matte mit den eng
aneinander liegenden ~längsdrähten A und B wird dann, wie beim Webvorgang üblich,
auf einen Warenbaum 3 aufgewickelt.
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Selbstverständlich können auch andere der bekannten Web-oder Flechtverfahren
Verwendung finden. Es wäre auch denkbar, die Richtung der Verbindungs- und Längsdrähte
zu vertauschen, allerdings würde sich dadurch der Nachteil ergeben, daß die auf
den Warenbaum gewickelte Hatte 4 senkrecht zu der in Figur 1 dargestellten Richtung
aufgewickelt werden muß und wegen der begrenzten Breite des Webstuhles nicht beliebig
lang gemacht werden kann.
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In Figur 3 sei angenommen, daß die Längsdrähte A aus Niob und die
Längsdrähte B aus Kupfer bestehen und daß ein Supraleiter hergestellt werden soll.
Von der Matte 4 sind in Figur 3 nur die Längsdrähte dargestellt.
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Figur 3 stellt also einen Schnitt durch die Matte 4 in Figur 1 parallel
und zwischen zwei Verbindungsdrähten C dar. In dem angenommenen Fall eines Supraleiters
besteht der Warenbaum 3 aus einem Kupferstab, der von einer diffusionshemmenden
Schicht 8 aus Tantal umgeben ist, auf den zuerst die Matte 4, dann eine Folie 5
aus Kupfer, dann eine Folie 6 aus Zinn und wiederum eine Folie 7 aus Kupfer aufgewickelt
wird. Wenn die Matte 4 (entsprechend Figur 5) voll aufgewickelt ist, erhält man
so einen Bolzen, bei dem jeder Längsdraht A von Kupfer (Längsdraht B, Folie 5 und
7) umgeben ist und bei dem sich zwischen je zwei Kupferfolien eine Zinnfolie befindet.
Wird dieser Bolzen durch Pressen und Ziehen auf seinen Endquerschnitt gebracht,
so kann bei der bei Supraleitern üblichen Wärmebehandlung das Zinn durch das Kupfer
in die Niobstäbe eindiffundieren und dort die Niob-reiche supraleitende Schicht
Nb 3Sn bilden. Der aus Kupfer mit einer diffusionshemmenden Schicht 8 bestehende
Warenbaum dient bei diesem Beispiel zur Stabilisierung des Leiters.
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In Figur 4 ist nun der Querschnitt eines Verbundkörpers dargestellt,
bei dem zwischen zwei Lagen der Matte 4 jeweils eine Folie 5 aus Kupfer zwischengelegt
ist. Der Kern 9 in Figur 4 besteht hierbei ebenfalls aus Kupfer und das Ganze ist
in einem Kupferrohr 10 eingeschlossen. Der so aufgebaute Bolzen kann nun in einer
Presse bei hohen Temperaturen verformt werden.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel läßt sich aus dem in Figur 4 im Querschnitt
dargestellten Bolzen ein Rohr pressen oder durch Ausbohren eines Teiles des Kerns
9 ein Rohr erhalten. Dieses Rohr wird dann anschließend mit Zinn oder einer zinnreichen
Kupferlegierung gefüllt, verschlossen und auf den Endquerschnitt des Verbundkörpers
gezogen.
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Dieses Verfahren besitzt den Vorteil, daß bezogen auf den gesamten
Querschnitt sehr viele Filanente in dem Verbundkörper untergebracht werden können
und trotzdem eine ausreichende Menge Zinn zur Bildung der supraleitenden Schichten
vorhanden ist. Hierdurch ergeben sich im Falle eines Nb3Sn-Supraleiters sehr hohe
Stromdichten, gemessen über den gesamten Querschnitt des Leiters. Bei der sonst
verwendeten Kupfer-Zinn-Bronze als sonstiges Material des Verbundkörpers lassen
sich wegen der notwendigen Verformbarkeit lediglich Bronzen mit bis zu 13,5 Gew.-%
Zinn verwenden Hierdurch und durch die bei der Mehrfachbündelung notwendigen Zwischenlagen
zwischen einzelnen Bündeln von Filamenten war man bisher gezwungen, eine ungleichmäßige
Verteilung der Bronze vorzunehmen, so daß die in dem zuerst gefertigten Bündel enthaltenen
Filamente von einer dünnen Bronzehülle, die Bündel dagegen von einer dicken Bronzehülle
umgeben sind. Um jedoch bei der Querschnittsreduktion eine Berührung der Filamente
und damit erhöhte Wechselstromverluste zu vermeiden, muß eine gleickmäßige Verteilung
der Filamente angestrebt werden. Außerdem wird durch den niedrigen Zinngehalt die
Dicke der Bronze schicht vorgegeben, welche im allgemeinen größer ist als diejenIge,
die eine Separation der Filamente sicherstellt.
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Da bei dem anhand von Figur 4 beschriebenen Verfahren reines Zinn
nach dem Warmpressen in den Kern hereingebracht wird, ist es in Verbindung mit der
Webtechnik jetzt möglich, eine ausreichende Zinnmenge bei wesentlich geringerem
Querschnitt unterzubringen. Damit wächst der Anteil der Filamente bezogen auf das
Substratmaterial (z.B. Kupfer im Falle von #tb3Sn-Supraleitern) und es läßt sich
eine größere Stromtragfähigkeit bezogen auf den Leiterquerschnitt erzielen.
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Ähnliche0 kann für Festigkeitseigenschaften von sonstigen Verbundkörpern
gelten, da es dieses Verfahren gestattet, sehr viele Filamente bel wenig sonstigen
ibterial (Substratmaterial) im Querschnitt unterzubringen.
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Eine weitere Möglichkeit zur Herstellung des erfindungsgemäßen Verbundkörpers
wird anhand von Figur 5 erläutert.
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Hier sind zwei Querschnitte von Längsdrähten 11 dargestellt, die im
Gegensatz zu den Längsdrähten A und B in den Figuren 1 bis 3 je aus einem Einkernverbundmaterial
bestehen. Der Kern 12 besteht bei jedem der Einkernverbunddrähte 11 aus dem Material,
aus dem die Filamente des herzustellenden Verbundkörpers bestehen sollen, während
der Mantel 13 aus dem sonstigen Material besteht, in das die Filamente einzubetten
sind. Verwendet man derartige Einkernverbunddrähte 11 als Längsdrähte entsprechend
den anhand der Figuren 1 bis 3 geschilderten Ausführungsbeispielen, so müssen nicht
mehr Längsdrähte aus verschiedenen Materialien nebeneinander in die Hatte 4 gewebt
werden, sondern es genügt, nur Einkernverbunddrähte 11 vorzusehen.
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Auch beim Aufwickeln der Matte 4 auf den Warenbaum 3 ist es nicht
mehr nötig, zwischen die einzelnen Lagen der Hatte 4 eine Folie zu legen. Den Mantel
13 eines derartigen Einkernverbunddrahtes 11 kann man auch aus einer Gallium oder
Zinn enthaltenden Bronze herstellen und die daraus hergestellte Matte auf einen
mit einer diffusionshemmenden Schicht versehenen Kupferkern wickeln. In diesem Fall
ist das zur Bildung der supraleitenden Schicht verwendete Material in der Bronze
des Mantels 13 enthalten und der Kupferkern wirkt als Stabilisierung für den Leiter.
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Der Verbundkörper kann im Prinzip aus allen verformbaren Materialien
aufgebaut werden.
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Bei der Verwendung des Verbundkörpers al3 Supraleiter lassen sich
anstelle der geschilderten, aus Niob und Zinn gebildeten Supraleiter auch andere
Supra:Leitermsterialien' wie z.B. Gallium und Vanadium oder Niob und Aluminium einsetzen.
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Um einen Supraleiter mit einer NbDAl-Phase herzustellen, benötigt
man relativ wenig Aluminium, da das Aluminium nicht wie Zinn zusammen mit Kupfer
eingebracht werden muß.
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Hier ergibt sich eine besonders einfache und preiswerte Herstellmöglichkeit,
wenn man els Längsdrähte (B) nur Drähte aus Niob verwendet und diese Drähte locker
verwebt, so daß sich ein geringer Abstand zwischen jeweils zwei benachbarten Drähten
einstellt. Das Aluminium läßt sich dann als Folie zwischen je zwei Lagen der aufgewickelten
Hatte (4) einbringen, wie dies in Figur 6 dargestellt ist. Hier weisen die einzelnen
Längsdrähte (B) aus Niob einen geringfügigen Abstand voneinander auf und zwischen
zwei Lagen der aufgewickelten Matte (4) befindet sich jeweils eine Aluminiumfolie
(14). Diese Teile werden in einen Bolzen (15) aus Kupfer oder Nickel bzw. ein anderes
für hohe Reaktionstemperaturen geeignetes duktiles Material eingeschoben. An dem
Bolzen (15) befindet sich ein Saugstutzen (16), mit dessen Hilfe der Bolzen (~15)
evakuiert werden kann, nachdem er verschweißt ist. Stirnseitig wird die aufgewickelte
Matte (4) von duktilen Kupferplatten (17) begrenzt und eine Verschlußplatte (18)
dient zum vakuumdichten Verschließen des Bolzens (15).
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Zur Vermeidwmg der Bildung von MischpDasen oder intermetallischen
Phasen bei der für die Bildung der supraleitender. Phase Nb 3Sn erforderlichen hohen
Reaktionstemperatur wird zwischen Aluminium und dem Werkstoff des Bolzens (15) eine
diffusionsheminende Schicht, z.B. die Folie (19) aus Niob oder Tantal gelegt. Zur
Verbesserung des Verformungsverhaltens kann weiterhin zwischen den Lagen der diffusionsemmenn
Schicht eine Kupferfolie (20) angeordnet werden.
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Figur 7 zeigt einen Ausschnitt aus der aufgewickelten Matte vor dem
isostatischen Pressen und Figur 8 den gleichen Ausschnitt, wie er nach dem isostatischen
Preßvorgang aussieht. Hier sieht man, daß die Aluminiumfolie (14) in die Zwischenräume
eingepreßt wurde, so daß die einzelnen Längsdrähte (B) aus Niob weitgehend von Aluminium
umgeben sind. Auf diese Weise läßt sich einfach der insgesamt geringe Anteil an
Aluminium verwirklichen.
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Das Pressen des evakuierten Bolzens (15) wird vorteilhafterweise in
einer hydraulischen Presse bei niedrigen Temperaturen durchgeführt, da hier der
Druck vollständig gleichmäßig auf die Oberfläche des Bolzens (15) wirkt.
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Die isostatische Verdichtung ergibt sich dann automatisch beim Anpreßvorgang,
so daß in einem Arbeitsgang die Verdichtung und die erste Querschnittsverminderung
durch Auspressen des Bolzens durch eine Matrize erfolgen kann.