DE3856529T2 - Process for producing a superconducting elongated body made of oxide composite material - Google Patents
Process for producing a superconducting elongated body made of oxide composite materialInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines länglichen Gegenstandes aus einem gesinterten Keramikmaterial, das supraleitend ist.The present invention relates to a method for producing an elongated article from a sintered ceramic material that is superconducting.
Sie bezieht sich insbesondere auf ein Verfahren zur Herstellung eines supraleitendes Drahtes aus einem gesinterten Keramikmaterial aus einem Compound- Oxid, das verwendbar ist zur Herstellung von supraleitenden Spulen oder dgl.It relates in particular to a method for producing a superconducting wire from a sintered ceramic material made of a compound oxide, which can be used for producing superconducting coils or the like.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich ganz speziell auf ein Verfahren zur Herstellung eines supraleitenden Drahtes aus einem gesinterten Keramikmaterial aus einem Compound-Oxid, das eine höhere kritische Stromdichte und eine höhere kritische Supraleitfähigkeits-Übergangstemperatur aufweist.The present invention particularly relates to a method for manufacturing a superconducting wire from a sintered ceramic material made of a compound oxide having a higher critical current density and a higher critical superconductivity transition temperature.
Die Supraleitfähigkeit ist ein Phänomen, bei dem der elektrische Widerstand Null wird und daher zur Herstellung von Starkstromkabeln und einer Vielzahl von Vorrichtungen und Apparaturen verwendet werden kann, die erwünscht sind zur Verringerung des Verbrauchs an elektrischer Energie, und es wurden bereits mehrere Vorschläge für dessen Anwendung gemacht, bei denen das Phänomen der Supraleitfähigkeit ausgenutzt wird.Superconductivity is a phenomenon in which the electrical resistance becomes zero and can therefore be used to manufacture power cables and a variety of devices and apparatuses that are desired to reduce the consumption of electrical energy, and Several proposals have already been made for its application, which exploit the phenomenon of superconductivity.
Die Supraleitfähigkeit ist nämlich auf einer Vielzahl von industriellen Gebieten anwendbar, beispielsweise auf dem Gebiet der elektrischen Energieversorgung, z. B. Fusionsenergie, der MHD-Energieerzeugung, dem Energietransport oder der Speicherung von elektrischer Energie; auf dem Gebiet der Verkehrstechnik, beispielsweise Magnetschwebebahnen, dem magnetischen Antrieb von Schiffen; auf dem medizinischen Gebiet, beispielsweise in einer Bestrahlungseinheit mit Hochenergiestrahlung; auf dem Gebiet der Wissenschaft, beispielsweise NMR oder Hochenergiephysik; oder auf dem Gebiet der Sensoren oder Detektoren zur Bestimmung von sehr schwachen Magnetfeldern, Mikrowellen- oder Strahlungsenergie oder dgl. sowie auf dem elektronischen Gebiet, beispielsweise für Josephson-Element-Vorrichtungen und Hochgeschwindigkeits-Computern mit geringerem Energieverbrauch.Superconductivity is in fact applicable in a wide range of industrial fields, for example in the field of electrical energy supply, e.g. fusion energy, MHD energy generation, energy transport or storage of electrical energy; in the field of transport engineering, e.g. magnetic levitation trains, magnetic propulsion of ships; in the medical field, e.g. in an irradiation unit with high energy radiation; in the field of science, e.g. NMR or high energy physics; or in the field of sensors or detectors for determining very weak magnetic fields, microwave or radiation energy or the like, and in the electronic field, e.g. for Josephson element devices and high-speed computers with lower energy consumption.
Ihre praktische Anwendung war bisher jedoch beschränkt, weil das Phänomen der Supraleitfähigkeit nur bei sehr niedrigen kryogenen Temperaturen zu beobachten ist. Unter den bekannten supraleitenden Materialien weist eine Gruppe von Materialien, die eine so genannte A-15-Struktur aufweisen, eine höhere Tc (kritische Temperatur der Supraleitfähigkeit) auf als andere, aber selbst der Spitzenwert der Tc im Falle von Nb&sub3;Ge, das die höchste Tc aufweist, übersteigt einen höchsten Wert von 23,2ºK nicht.However, their practical application has been limited so far because the phenomenon of superconductivity can only be observed at very low cryogenic temperatures. Among the known superconducting materials, a group of materials having a so-called A-15 structure exhibits a higher Tc (critical temperature of superconductivity) than others, but even the peak value of Tc in the case of Nb3Ge, which has the highest Tc, does not exceed a maximum value of 23.2ºK.
Dies bedeutet, dass verflüssigtes Helium (Siedepunkt 4,2ºK) das einzige Kryomittel ist, das eine derart niedrige Tc-Temperatur bereitstellen kann. Helium ist jedoch nicht nur eine begrenzte, kostspielige Ressource, sondern erfodert auch ein großtechnisches Verflüssigungs-System. Es ist daher erwünscht, andere supraleitende Materialien mit einem viel höheren Tc-Wert zu finden. In der Forschung wurde bisher jedoch während der vergangenen 10 Jahre noch kein Material gefunden, das einen höheren als den oben genannten Tc-Wert aufweist.This means that liquefied helium (boiling point 4.2ºK) is the only cryogenic agent that can provide such a low Tc temperature. However, helium is not only a limited, expensive resource, but also requires a large-scale liquefaction system. It is therefore desirable to find other superconducting materials with a much higher Tc value. However, research over the past 10 years has not yet found any material with a higher Tc value than the above-mentioned one.
Es ist bekannt, dass bestimmte Keramikmaterialien aus Compound-Oxiden die Eigenschaft der Supraleitfähigkeit aufweisen. So ist beispielsweise in dem US- Patent Nr. 3 932 315 ein Compound-Oxid vom Ba-Pb-Bi-Typ beschrieben, das Supraleitfähigkeit aufweist. Dieser Supraleiter-Typ weist jedoch eine eher niedrige Übergangstemperatur von weniger als 13ºK auf und somit ist die Verwendung von verflüssigtem Helium (Siedepunkt 4,2ºK) als Kryomittel zur Erzielung der Supraleitfähigkeit unerlässlich.It is known that certain ceramic materials made of compound oxides have the property of superconductivity. For example, US Patent No. 3,932,315 describes a compound oxide of the Ba-Pb-Bi type which has superconductivity. However, this type of superconductor has a rather low transition temperature of less than 13ºK and thus the use of liquefied helium (boiling point 4.2ºK) as a cryogenic agent is essential to achieve superconductivity.
Die Möglichkeit der Existenz eines neuen Typs von supraleitenden Materialien mit einem viel höheren Tc-Wert wurde von Bednorz und Muller aufgezeigt, die 1986 einen neuen Supraleiter vom Oxid-Typ gefunden haben [Z. Phys. B64 (1986), S. 189]. In diesem Dokument ist jedoch die Verwendung eines solchen Oxid-Materials zur Herstellung eines supraleitenden Drahtes daraus weder beschrieben noch erwähnt.The possibility of the existence of a new type of superconducting material with a much higher Tc value was demonstrated by Bednorz and Muller, who found a new oxide-type superconductor in 1986 [Z. Phys. B64 (1986), p. 189]. However, in this document the use of such an oxide material to make a superconducting wire from it is neither described nor mentioned.
Dieses neue supraleitende Material vom Oxid-Typ ist [La,Ba]&sub2;CuO&sub4; oder [La,Sr]&sub2;CuO&sub4;, bei denen es sich um so genannte Oxide vom K&sub2;NiF&sub4;-Typ handelt, die eine Kristallstruktur haben, die ähnlich derjenigen von supraleitenden Oxiden vom Perovskit-Typ ist, die bereits bekannt sind (vgl. z. B. BaPb1-xBixO&sub3;, das in dem US-Patent Nr. 3 932 315 beschrieben ist). Die Oxide vom K&sub2;NiF&sub4;- Typ weisen höhere Tc-Werte von etwa 30ºK auf, was sehr viel höher ist als diejenigen der bereits bekannten supraleitenden Materialien.This new oxide-type superconducting material is [La,Ba]2CuO4 or [La,Sr]2CuO4, which are so-called K2NiF4-type oxides, which have a crystal structure similar to that of perovskite-type superconducting oxides already known (see, for example, BaPb1-xBixO3, described in U.S. Patent No. 3,932,315). The K2NiF4-type oxides have higher Tc values of about 30°K, which are much higher than those of the already known superconducting materials.
Als Supraleiter vom Compound-Oxid-Typ, die bestehen aus Oxiden von Elementen der Gruppen IIa und IIIa des Periodischen Systems der Elemente können diejenigen mit einer Quasi-Perovskit-Struktur genannt werden, die angesehen werden können als solche, die eine Kristallstruktur haben, die ähnlich derjenigen der Oxide vom Perovskit-Typ ist, und umfasst einen orthorhombisch verzerrten Perovskit oder einen verzerrten Perovskit mit Sauerstoff-Defizit, wie z. B. Ba&sub2;YCu&sub3;O7-δ, zusätzlich zu dem oben genannten Oxid vom K&sub2;NiF&sub4;-Typ, wie z. B. [La,Ba]&sub2;CuO&sub4; oder [La,Sr]&sub2;CuO&sub4;. Da diese supraleitenden Materialien einen sehr hohen Tc-Wert von 30 bis 90ºK aufweisen, ist es möglich, verflüssigten Wasserstoff (Kp. = 20,4ºK) oder verflüssigtes Neon (Kp. = 27,3ºK) als Kryomittel zur Erzielung der Supraleitfähigkeit in der Praxis zu verwenden. Insbesondere Wasserstoff ist eine unerschöpfliche Quelle, sie hat jedoch den Nachteil, dass eine Explosionsgefahr besteht.As compound oxide type superconductors consisting of oxides of elements of groups IIa and IIIa of the Periodic Table of Elements, there can be mentioned those having a quasi-perovskite structure, which can be regarded as having a crystal structure similar to that of the perovskite type oxides, and includes an orthorhombic distorted perovskite or an oxygen-deficient distorted perovskite such as Ba₂YCu₃O7-δ, in addition to the above-mentioned K₂NiF₄ type oxide such as [La,Ba]₂CuO₄ or [La,Sr]₂CuO₄. Since these superconducting materials have a very high Tc value of 30 to 90ºK, it is possible to use liquefied hydrogen (bp = 20.4ºK) or liquefied neon (bp = 27.3ºK) as cryogenic agents to achieve superconductivity in practice. Hydrogen in particular is an inexhaustible source, but it has the disadvantage of being explosive.
Die oben genannten supraleitenden Materialien vom neuen Typ, die gerade aufgekommen sind, wurden bisher jedoch nur untersucht und entwickelt in Form von Sinterkörpern, als formloses Produkt, das aus Pulvern hergestellt wird, es wurden jedoch keine Versuche unternommen, um sie zu einem Draht zu formen. Der Grund ist der, dass die Supraleiter vom neuen Typ Keramikmaterialien aus einem Compound-Oxid sind, die keine gute Plastizität oder Verarbeitbarkeit aufweisen, verglichen mit den allgemein bekannten supraleitenden Materialien vom Metall-Typ, wie z. B. eine Ni-Ti-Legierung, die daher nicht oder nur schwer zu einem länglichen Gegenstand, wie z. B. einem Draht, unter Anwendung eines konventionellen Verfahrens, beispielsweise eines Drahtzieh- Verfahrens, geformt werden können, bei dem das supraleitende Metall direkt oder, eingebettet in Kupfer, zu einem Draht ausgezogen wird.However, the above-mentioned new type superconducting materials that have just emerged have so far only been studied and developed in the form of sintered bodies, a shapeless product made from powders, but no attempts have been made to form them into a wire. The reason is that the new type superconductors are ceramic materials made of a compound oxide, which do not have good plasticity or processability compared with the generally known metal type superconducting materials such as Ni-Ti alloy, and therefore cannot be formed into an elongated object such as a wire, or can only be formed with difficulty, using a conventional method such as a wire drawing method in which the superconducting metal is drawn into a wire directly or embedded in copper.
In dem offengelegten japanischen Patent Nr. 61-131 307 und auch in "IEEE Transactions on Magnetics", Band. MAG-19, Nr. 3, 3. Mai 1983, S. 402, wurde ein Verfahren zur Herstellung eines supraleitenden Drahtes aus einem supraleitenden Material vom Metall-Typ vorgeschlagen, das oxidiert werden kann und sehr spröde ist, wie z. B. PbMo0,35S&sub8; bzw. PbMo&sub6;S&sub8;, das umfasst das Einfüllen des Materialpulvers in eine Metallhülle, das Extrudieren der mit dem Materialpulver gefüllten Metallhülle bei einer Temperatur von mehr als 1000ºC und das anschließende Ziehen des extrudierten Verbundkörpers. Dieses Metallverarbeitungsverfahren kann jedoch nicht direkt auf ein Keramikmaterial, das aus einem Compound-Oxid besteht, angewendet werden weil die supraleitenden Materialien vom Compound-Oxid-Typ keine Supraleitfähigkeit aufweisen können, wenn nicht eine spezifische oder vorgegebene Kristallstruktur erzeugt worden ist. Das heißt mit anderen Worten, ein supraleitender Draht mit einer höheren kritischen Temperatur und einer höheren kritischen Stromdichte, der für praktische Anwendungen geeignet ist, kann außerhalb der vorgegebenen optimalen Bedingungen nicht erhalten werden. Insbesondere kann dann, wenn die Hülle nicht aus geeigneten Materialien ausgewählt wird, das resultierende Compound-Oxid durch eine chemische Reaktion mit dem Metall der Hülle reduziert werden, was zu schlechten oder verschlechterten Supraleitfähigkeits-Eigenschaften führt.In Japanese Patent Laid-Open No. 61-131307 and also in "IEEE Transactions on Magnetics", Vol. MAG-19, No. 3, May 3, 1983, p. 402, a method for producing a superconducting wire from a metal-type superconducting material which can be oxidized and is very brittle, such as PbMo0.35S₈ or PbMo₆S₈, has been proposed, which comprises filling the material powder in a metal shell, extruding the metal shell filled with the material powder at a temperature of more than 1000°C, and then drawing the extruded composite body. However, this metal processing method cannot be directly applied to a ceramic material made of a compound oxide because the compound oxide type superconducting materials cannot exhibit superconductivity unless a specific or predetermined crystal structure is created. In other words, a superconducting wire with a higher critical temperature and a higher critical current density suitable for practical applications cannot be obtained outside the specified optimal conditions. In particular, if the shell is not selected from suitable materials, the resulting compound oxide may be reduced by a chemical reaction with the shell metal, resulting in poor or degraded superconductivity properties.
Auf dem Gebiet der Formgebung von Keramikmaterialien ist es generelle Praxis, dass zur Herstellung eines länglichen Gegenstandes, beispielsweise von Drähten oder Stäben, dem Materialpulver aus Keramik ein organisches Bindemittel zugesetzt wird, um die Formgebung oder Verformung des Pulvermaterials zu erleichtern. Auf diese Weise wird eine Mischung aus dem Pulvermaterial und dem organischen Bindemittel zu einem Stab geformt mittels eines Extruders oder einer Presse und danach wird der geformte Stab direkt oder über eine Trimming- oder Schneidestufe in eine Zwischen-Sinterstufe überführt, um das organische Bindemittel zu entfernen, bevor er der Schluss-Sinterstufe unterworfen wird.In the field of forming ceramic materials, it is a general practice that, in order to produce an elongated article, such as wires or rods, an organic binder is added to the ceramic material powder to facilitate the shaping or deformation of the powder material. In this way, a mixture of the powder material and the organic binder is formed into a rod by means of an extruder or a press and thereafter the formed rod is transferred directly or via a trimming or cutting step to an intermediate sintering step to remove the organic binder before being subjected to the final sintering step.
Die oben genannten Formpress- und Trimming- oder Schneidearbeitsgänge führen zu großen Verlusten an teurem Keramikmaterial, sodass das Material nicht nur unwirtschaftlich ist, sondern auch das Dimensions-Verhältnis von Längsrichtung zu Querschnittsrichtung des Stabes nicht erhöht werden kann. Dieses Verfahren kann daher in der Praxis nicht angewendet werden.The above-mentioned compression molding and trimming or cutting operations lead to large losses of expensive ceramic material, so that the material is not only uneconomical, but also the dimensional ratio of the rod’s longitudinal direction to its cross-sectional direction cannot be increased. This process cannot therefore be used in practice.
Das Extrusionsverfahren ist viel besser als das Formpressen, was die Wirtschaftlichkeit des Materials und die Produktivität angeht, es erfordert jedoch große Mengen an organischem Bindemittel, die dem Pulvermaterial zugesetzt werden. Dieses organische Bindemittel ist während der Zwischen-Sinterstufe schwer vollständig zu entfernen und verbleibt daher in dem schluss-gesinterten Gegenstand, was die Ursache für Defekte des Produkts ist, die seine Festigkeit und Flexibilität beeinträchtigen. Es ist daher schwierig, einen dünnen Stab aus einem Keramikmaterial mit höheren Dimensions-Verhältnissen von Längsrichtung zu Querschnittsrichtung unter Anwendung des Extrusionsverfahrens herzustellen.The extrusion process is much better than compression molding in terms of material economy and productivity, but it requires large amounts of organic binder added to the powder material. This organic binder is difficult to completely remove during the intermediate sintering stage and therefore remains in the final sintered article, which is the cause of defects in the product that affect its strength and flexibility. It is therefore difficult to produce a thin rod of a ceramic material with higher dimensional ratios from longitudinal direction to cross-sectional direction using the extrusion process.
In DE-B-12 57 436 ist die Herstellung eines supraleitenden Drahtes durch Anwendung eines pulvermetallurgischen Verfahrens beschrieben. Bei diesem Verfahren wird ein Metallrohr mit Nb&sub3;Sn gefüllt. Es wird der Durchmesser des Rohres vermindert und das verengte Rohr wird dann wärmebehandelt bei einer Temperatur, die ausreicht, um das in das Rohr eingefüllte Pulver supraleitend zu machen.DE-B-12 57 436 describes the production of a superconducting wire by using a powder metallurgy process. In this process, a metal tube is filled with Nb₃Sn. The diameter of the tube is reduced and the narrowed tube is then heat-treated at a temperature sufficient to make the powder filled into the tube superconducting.
Um eine zuverlässige und praktikable supraleitende Struktur herzustellen, ist es unerlässlich, dass die Struktur eine ausreichenden Festigkeit und Zähigkeit aufweist, um Biegekräften während der Verwendung standzuhalten, und auch eine möglichst kleine Querschnittsdimension hat, sodass sie elektrischen Strom mit einer höheren kritischen Stromdichte und bei einer höheren kritischen Temperatur übertragen kann.To produce a reliable and practical superconducting structure, it is essential that the structure has sufficient strength and toughness to withstand bending forces during use and also has as small a cross-sectional dimension as possible so that it can transmit electric current at a higher critical current density and at a higher critical temperature.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, ein Verfahren zur Herstellung eines supraleitenden Drahtes aus Sinterkeramik anzugeben, der für praktische Anwendungszwecke eine ausreichende Länge aufweist, nämlich ein höheres Dimensions-Verhältnis von Längsrichtung zu Querschnittsrichtung aufweist, ohne dass ein organisches Bindemittel verwendet wird, das die Ursache für die Abnahme der Festigkeit und der Zähigkeit des Produktes ist.An object of the present invention is therefore to provide a method for producing a superconducting wire made of sintered ceramics which has a sufficient length for practical applications, namely has a higher dimension ratio of the longitudinal direction to the cross-sectional direction, without using an organic binder which is the cause of the decrease in the strength and toughness of the product.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines dünnen supraleitenden Drahtes aus einer Sinterkeramik vom Compound-Oxid-Typ anzugeben, der eine höhere Beständigkeit gegen Bruch auch dann aufweist, wenn der Durchmesser des Drahtes stark verkleinert wird, d. h. mit anderen Worten, bei höheren Querschnitts-Dimensions-Verminderungsverhältnissen.Another object of the present invention is to provide a method for producing a thin superconducting wire from a compound oxide type sintered ceramic which has a higher resistance to breakage even when the diameter of the wire is greatly reduced, in other words, at higher cross-sectional dimension reduction ratios.
Noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines feinen supraleitenden Drahtes aus Sinterkeramik vom Compound-Oxid-Typ anzugeben, der eine höhere kritische Stromdichte und eine höhere kritische Temperatur aufweist.Still another object of the present invention is to provide a method for producing a fine superconducting wire made of a compound oxide type sintered ceramic having a higher critical current density and a higher critical temperature.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines supraleitenden länglichen Gegenstandes, wie es im Anspruch 1 angegeben ist.The present invention relates to a method for producing a superconducting elongated article as defined in claim 1.
Die länglichen Gegenstände, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden können, umfassen Stäbe, Drähte, Sränge, Bänder, Streifen oder irgendwelche anderen Gegenstände, deren Dimensionsverhältnis zwischen Längsrichtung und Querschnittsrichtung mehr als 30 beträgt, wobei der Querschnitt des Gegenstandes nicht auf einen Kreis beschränkt ist, sondern jede beliebige Konfiguration, beispielsweise eine rechteckige Form, haben kann.The elongated articles that can be produced by the method according to the invention include rods, wires, strands, ribbons, strips or any other articles whose dimensional ratio between the longitudinal direction and the cross-sectional direction is more than 30, wherein the cross-section of the article is not limited to a circle but can have any configuration, for example a rectangular shape.
Das Keramikpulvermaterial, das aus einem Compound-Oxid besteht, das Supraleitfähigkeit aufweist, umfasst jedes beliebige Compound-Oxid, das nach der erfindungsgemäßen Wärmebehandlung eine Supraleitfähigkeit aufweist.The ceramic powder material consisting of a compound oxide exhibiting superconductivity includes any compound oxide exhibiting superconductivity after the heat treatment of the present invention.
Allgemein gilt, dass das Keramikpulvermaterial, das in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet kann, die allgemeine Formel haben kann:In general, the ceramic powder material that can be used in the inventive process can have the general formula:
AaBbCcAaBbCc
worin "A" für mindestens ein Element steht, das ausgewählt ist aus einer Gruppe, die umfasst die Gruppen IIa und IIIa des Periodischen Systems der Elemente, "B" für mindestens ein Element steht, das ausgewählt ist aus einer Gruppe, die umfasst die Gruppe Ia, IIa und IIIa des Periodischen Systems der Elemente, "C" für mindestens ein Element steht, das ausgewählt ist aus einer Gruppe, die umfasst Sauerstoff, Kohlenstoff, Stickstoff, Fluor und Schwefel, und "a", "b" und "c" für die Atomverhältnisse der Elemente "A", "B" und "C" stehe. Sie genügen vorzugsweise der folgenden Gleichung:wherein "A" stands for at least one element selected from a group comprising groups IIa and IIIa of the Periodic Table of the Elements, "B" stands for at least one element selected from a group comprising groups Ia, IIa and IIIa of the Periodic Table of the Elements, "C" stands for at least one element selected from a Group comprising oxygen, carbon, nitrogen, fluorine and sulphur, and "a", "b" and "c" represent the atomic ratios of the elements "A", "B" and "C". They preferably satisfy the following equation:
"a"x (durchschnittliche Valenz von "A") + "b"x (durchschnittliche Valenz von "B") = c"x (durchschnittliche Valenz von "C")"a"x (average valence of "A") + "b"x (average valence of "B") = c"x (average valence of "C")
Als Element der Gruppe Ia des Periodischen Systems der Elemente können H, Li, Na, K, Rb, Cs und Fr genannt werden. Bei den Elementen der Gruppe IIa des Periodischen Systems der Elemente kann es sich handeln um Be, Mg, Ca, Sr, Ba und Ra. Bei den Elementen der Gruppe IIIa des Periodischen Systems der Elemente kann es sich handeln um Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Ac, Th, Pa, U, Np, Pu, Am, Cm, Bk, Cf, Es, Fm, Md, Mo und Lr. Bei den Elementen der Gruppe Ib des Periodischen Systems der Elemente kann es sich handeln um Cu, Ag und Au. Bei den Elementen der Gruppe IIb des Periodischen Systems der Elemente kann es sich handeln um Zn, Cd und Hg. Bei den Elementen der Gruppe IIIb des Periodischen Systems der Elemente kann es sich handeln um B, Al, Ga, In und TI.The elements of group Ia of the Periodic Table of Elements are H, Li, Na, K, Rb, Cs and Fr. The elements of group IIa of the Periodic Table of Elements can be Be, Mg, Ca, Sr, Ba and Ra. The elements of group IIIa of the Periodic Table of Elements can be Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Ac, Th, Pa, U, Np, Pu, Am, Cm, Bk, Cf, Es, Fm, Md, Mo and Lr. The elements of group Ib of the Periodic Table of Elements can be Cu, Ag and Au. The elements of Group IIb of the Periodic Table of Elements can be Zn, Cd and Hg. The elements of Group IIIb of the Periodic Table of Elements can be B, Al, Ga, In and Ti.
Das Keramikpulvermaterial ist vorzugsweise eine Pulvermischung, die Oxide von solchen Metallen enthält, die ein höheres Sauerstoffpotential für die Bildung des Oxids als Kupfer aufweisen.The ceramic powder material is preferably a powder mixture containing oxides of metals that have a higher oxygen potential for the formation of the oxide than copper.
Unter den supraleitenden Keramikmaterialien können solche genannt werden, die mindestens zwei Elemente, ausgewählt aus den Gruppen Ia, IIa und IIIa des Periodischen Systems der Elemente, als "A", mindestens Kupfer als "B" und Sauerstoff als "C" enthalten, wie z. B. Keramikmaterialien vom Y-Ba-Cu-O- Typ, Keramikmaterialien vom Y-Sr-Cu-O-Typ, Keramikmaterialien vom La-Sr- Cu-O-Typ und Keramikmaterialien vom La-Ba-Cu-O-Typ.Among the superconducting ceramic materials, there may be mentioned those containing at least two elements selected from Groups Ia, IIa and IIIa of the Periodic Table of Elements as "A", at least copper as "B" and oxygen as "C", such as Y-Ba-Cu-O type ceramic materials, Y-Sr-Cu-O type ceramic materials, La-Sr-Cu-O type ceramic materials and La-Ba-Cu-O type ceramic materials.
Das Keramikmaterialpulver kann ein Compound-Oxid (gemischtes Oxid) sein, das die Kristallstruktur der Oxide vom K&sub2;NiF&sub4;-Typ aufweist, wie z. B. [La, Ba]&sub2;CuO&sub4; oder [La,Sr]&sub2;CuO&sub4;.The ceramic material powder may be a compound oxide (mixed oxide) having the crystal structure of the K2NiF4 type oxides such as [La, Ba]2CuO4 or [La,Sr]2CuO4.
Außerdem kann das Keramikmaterialpulver sein ein Compound-Oxid (gemischtes Oxid), das eine Kristallstruktur vom Perovskit-Typ hat, Supraleitfähigkeit aufweist und die allgemeine Formel hat:In addition, the ceramic material powder can be a compound oxide (mixed oxide) which has a perovskite type crystal structure, exhibits superconductivity and has the general formula:
(α 1-x, βx) γy Oz(α 1-x, βx) γy Oz
worin α für ein Element steht, ausgewählt aus den Elementen der Gruppe IIa des Periodischen Systems der Elemente, β für ein Element steht, ausgewählt aus den Elementen der Gruppe IIIa des Periodischen Systems der Elemente, γ für ein Element steht, ausgewählt aus den Elementen der Gruppe Ib, IIb, IIIb, IVa oder VIIIa des Periodischen Systems der Elemente, x, y und z für Zahlen stehen, die innerhalb der folgenden jeweiligen Bereiche liegen:wherein α represents an element selected from the elements of Group IIa of the Periodic Table of the Elements, β represents an element selected from the elements of Group IIIa of the Periodic Table of the Elements, �gamma represents an element selected from the elements of Group Ib, IIb, IIIb, IVa or VIIIa of the Periodic Table of the Elements, x, y and z represent numbers which lie within the following respective ranges:
0,1 ≤ x ≤ 0,90.1 ≤ x ≤ 0.9
0,4 ≤ y ≤ 4,0 und0.4 ≤ y ≤ 4.0 and
1 ≤ z ≤ 51 ≤ z ≤ 5
insbesondere kann es sein ein Compound-Oxid, worin α für Ba, β für Y und γ für Cu stehen.In particular, it can be a compound oxide in which α stands for Ba, β for Y and γ for Cu.
Es ist außerdem bevorzugt, ein Keramikmaterialpulver zu verwenden, das hergestellt wird durch Mischen von Bi&sub2;O&sub3;-, SrCO&sub3;-, CaCO&sub3;- und CuO-Pulvern, Trocknen und anschließendes Pressen der Pulvermischung, Sintern der gepressten Masse und anschließendes Pulverisieren der gesinterten Masse.It is also preferable to use a ceramic material powder prepared by mixing Bi₂O₃, SrCO₃, CaCO₃ and CuO powders, drying and then pressing the powder mixture, sintering the pressed mass and then pulverizing the sintered mass.
Die Keramikmaterialpulver werden vorzugsweise vorher granuliert, bevor sie in das Metallrohr eingefüllt werden.The ceramic material powders are preferably granulated before being filled into the metal tube.
Das Metallrohr kann ausgewählt werden aus einer Gruppe, welche die Metalle Ag, Au, Pt, Pd, Rh, Ir, Ru, Os, Cu, Al, Fe, Ni, Cr, Ti, Mo, W und Ta und Legierungen, die diese Metalle als ihre Basis umfassen, umfasst.The metal tube can be selected from a group comprising the metals Ag, Au, Pt, Pd, Rh, Ir, Ru, Os, Cu, Al, Fe, Ni, Cr, Ti, Mo, W and Ta and alloys comprising these metals as their base.
Die Wärmebehandlung kann über einen Temperaturbereich von 700 bis 1000ºC durchgeführt werden.The heat treatment can be carried out over a temperature range of 700 to 1000ºC.
Die plastische Verformung des mit dem Keramikmaterialpulver gefüllten Metallrohres kann in der Weise durchgeführt werden, dass der Querschnitt des Metallrohres in einem Dimensions-Verkleinerungsverhältnis in dem Bereich von 16 bis 92% verkleinert wird. Die plastische Verformung kann durchgeführt werden durch Drahtziehen, das unter Verwendung von Ziehdüsen, Zylinder-Ziehdüsen oder Extrudern durchgeführt wird.The plastic deformation of the metal pipe filled with the ceramic material powder can be carried out in such a way that the cross section of the metal pipe is reduced in a dimension reduction ratio in the range of 16 to 92%. The plastic deformation can be carried out by wire drawing, which is carried out using dies, cylinder dies or extruders.
Die plastische Verformung kann durchgeführt werden durch Schmieden, beispielsweise mittels einer Gesenkschmiede-Einheit oder durch Walzen.Plastic deformation can be carried out by forging, for example by means of a drop forging unit or by rolling.
Es ist auch bevorzugt, das Metallrohr, welches das gesinterte Keramikmaterialpulver in seinem Innern enthält, mit einer Geschwindigkeit von weniger als 50ºC/min langsam abkühlen zu lassen, wonach die Wärmebehandlung beendet ist.It is also preferable to allow the metal tube containing the sintered ceramic material powder inside it to cool slowly at a rate of less than 50°C/min, after which the heat treatment is completed.
Nachstehend wird eine Vorrichtung, die zur Durchführung des vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden kann, unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen, welche die vorliegende Erfindung jedoch nicht beschränken, näher beschrieben.A device which can be used to carry out the above-described method according to the invention is described in more detail below with reference to the accompanying drawings, which, however, do not limit the present invention.
Fig. 1A bis 1J erläutern eine Reihe von Stufen zur Herstellung eines erfindungsgemäßen supraleitenden länglichen Gegenstandes;Figures 1A to 1J illustrate a series of steps for fabricating a superconducting elongated article according to the invention;
Fig. 2A bis 2C zeigen Variationen der erfindungsgemäßen supraleitenden länglichen Gegenstände, wobei Fig. 2A eine erläuternde perspektivische Ansicht des Gegenstandes, Fig. 2B einen Querschnitt desselben und Fig. 2C eine erläuternde Ansicht einer anderen Ausführungsform des Gegenstandes zeigen;2A to 2C show variations of the superconducting elongated articles according to the invention, wherein Fig. 2A shows an explanatory perspective view of the article, Fig. 2B shows a cross-section thereof and Fig. 2C shows an explanatory view of another embodiment of the article;
Fig. 3A und 3B zeigen Querschnitte der Variationen gemäß Fig. 2;Fig. 3A and 3B show cross sections of the variations according to Fig. 2;
Fig. 4 zeigt eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei Fig. 4A eine Querschnittsansicht und Fig. 4B eine ebene Draufsicht auf den erfindungsgemäßen länglichen Gegenstand darstellen;Fig. 4 shows another embodiment of the present invention, wherein Fig. 4A is a cross-sectional view and Fig. 4B is a plan view of the elongated article according to the invention;
Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei Fig. 5A eine Querschnittsansicht und Fig. 5B eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen länglichen Gegenstandes zeigen;Fig. 5 shows another embodiment of the present invention, wherein Fig. 5A shows a cross-sectional view and Fig. 5B shows a perspective view of the elongated article according to the invention;
Fig. 6 zeigt eine erläuternde Ansicht einer Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung eines erfindungsgemäßen Verbundkörpers mit einer bandförmigen Konfiguration.Fig. 6 shows an explanatory view of an apparatus for continuously producing a composite body according to the invention having a belt-shaped configuration.
In der Fig. 1 erläutern die Fig. 1A bis Fig. 1J die Stufen zur Herstellung eines erfindungsgemäßen länglichen Gegenstandes.In Fig. 1, Figs. 1A to 1J illustrate the steps for producing an elongated article according to the invention.
Zuerst wird ein Metallrohr 1 mit einer vorgegebenen Querschnitts-Konfiguration (Außendurchmesser "L" und Innendurchmesser "I") mit einem Keramikmaterialpulver 2 gefüllt, wie in Fig. 1B dargestellt.First, a metal tube 1 having a predetermined cross-sectional configuration (outer diameter "L" and inner diameter "I") is filled with a ceramic material powder 2 as shown in Fig. 1B.
Dann wird das resultierende Metallrohr, das mit dem Keramikpulvermaterial gefüllt ist, einem Drahtzieh-Arbeitsgang unterworfen, der mittels Zylinder- Ziehdüsen 3, wie in Fig. 1C dargestellt, oder mittels einer Ziehdüse oder einer Reihe von Ziehdüsen 4, wie in Fig. 1D im Querschnitt dargestellt, durchgeführt werden kann. Das Drahtziehen kann mittels einer Gesenkschmiede-Einheit 5 wie in Fig. 1E dargestellt, oder mittels einer Drahtziehmaschine vom Extruder- Typ durchgeführt werden (Fig. 1F zeigt den Querschnitt eines Extruderkopfes). Für den Fall, dass der längliche Gegenstand einen rechteckigen Querschnitt hat, kann das Metallrohr mittels Walzen 7 gewalzt werden, wie in Fig. 1H dargestellt.Then, the resulting metal tube filled with the ceramic powder material is subjected to a wire drawing operation, which can be carried out by means of cylindrical dies 3 as shown in Fig. 1C, or by means of a die or a series of dies 4 as shown in cross section in Fig. 1D. The wire drawing can be carried out by means of a die forging unit 5 as shown in Fig. 1E, or by means of a wire drawing machine of the extruder type. type (Fig. 1F shows the cross section of an extruder head). In case the elongated article has a rectangular cross section, the metal tube can be rolled by means of rollers 7 as shown in Fig. 1H.
Der Drahtziehstufe kann eine Glühstufe einverleibt werden, um das Drahtziehen zu erleichtern. Es ist auch bevorzugt, ein Ende oder die einander gegenüberliegenden Enden des Metallrohres zu versiegeln, bevor dieses dem Drahtzieh-Arbeitsgang unterworfen wird, wie in Fig. 1H dargestellt, um zu verhindern, dass das Pulvermaterial aus dem Metallrohr entweicht.An annealing step may be incorporated into the wire drawing step to facilitate wire drawing. It is also preferable to seal one end or the opposite ends of the metal tube before subjecting it to the wire drawing operation, as shown in Fig. 1H, to prevent the powder material from escaping from the metal tube.
Die Fig. 1I erläutert eine perspektivische Ansicht des resultierenden, zu einem Draht ausgezogenen Produkts, das einen inneren Kern umfasst, der erhalten wurde aus dem Materialpulver 2 und der einen verkleinerten Durchmesser "I'" aufweist, sodass das Endprodukt, das nach der anschließenden Sinterstufe, wie nachstehend beschrieben, erhalten wird, die gleiche Konfiguration wie Fig. 1I hat.Fig. 1I illustrates a perspective view of the resulting wire drawn product comprising an inner core obtained from the material powder 2 and having a reduced diameter "I'" so that the final product obtained after the subsequent sintering step as described below has the same configuration as Fig. 1I.
Die Fig. 1J erläutert den Fall, bei dem das äußere Rohr entfernt wird.Fig. 1J illustrates the case where the outer tube is removed.
Die Fig. 2 zeigt eine Variation des erfindungsgemäß hergestellten länglichen Gegenstandes, bei der Perforationen oder durchgehende Löcher in dem Metallrohr 11 vorgesehen sind. Bei einer Ausführungsform, wie sie in perspektivischer Ansicht in Fig. 2A dargestellt ist, werden die feinen Löcher 13 über die gesamte Oberfläche mittels eines CO&sub2;-Lasers oder dgl. aus dem Metallrohr ausgeschnitten. Die Fig. 2B zeigt in Form einer Querschnittsansicht das in Fig. 2A dargestellte Rohr. Die Löcher 13 können durch einen Schlitz 13a ersetzt sein, wie in Fig. 2C dargestellt. Der Schlitz 13a kann eine Dimension in der Breite von etwa 200 um haben.Fig. 2 shows a variation of the elongated article made according to the invention, in which perforations or through holes are provided in the metal tube 11. In an embodiment, as shown in perspective view in Fig. 2A, the fine holes 13 are cut out of the metal tube over the entire surface by means of a CO2 laser or the like. Fig. 2B shows in the form of a cross-sectional view the tube shown in Fig. 2A. The holes 13 can be replaced by a slot 13a, as shown in Fig. 2C. The slot 13a can have a dimension in width of about 200 µm.
Es ist bekannt, dass der resultierende supraleitende Draht in einer Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre, beispielsweise an der Luft, beeinträchtigt wird, sodass es bevorzugt ist, die in das Metallrohr 11 eingeschnittenen Löcher 13 zu verschließen. Zu diesem Zweck können die Löcher 13 mit einem Versiegelungsmittel 14 gefüllt werden, um den Sinterdraht aus dem Supraleiter 12 gegenüber der umgebenden Atmosphäre zu isolieren, wie es in Fig. 3A dargestellt ist. Die praktische Durchführung dieses Verfahrens ist jedoch schwierig oder es führt zu einer geringen Produktivität, sodass es in der Praxis bevorzugt ist, die gesamte äußere Oberfläche des perforierten Metallrohres mit einer geeigneten luftdichten zylindrischen Verkleidung, beispielsweise einem wärmeschrumpfbaren Kunststoffrohr, das chemisch stabil ist, zu bedecken, wie in der Fig. 3B dargestellt. Die Verkleidung kann aus einer durch Vakuumabscheidung auf die gesamte Oberfläche des Metallrohres aufgebrachten Metallschicht und besonders bevorzugt aus einem Überzug aus Glas mit niedrigem Schmelzpunkt bestehen, der auf das Metallrohr aufgebracht ist, um es vollständig zu versiegeln.It is known that the resulting superconducting wire is affected in an oxygen-containing atmosphere, for example in air, so it is preferable to close the holes 13 cut in the metal tube 11. For this purpose, the holes 13 may be filled with a sealant 14 to isolate the sintered wire of the superconductor 12 from the surrounding atmosphere, as shown in Fig. 3A. However, the practical implementation of this method is difficult or results in low productivity, so it is practically preferable to cover the entire outer surface of the perforated metal tube with a suitable airtight cylindrical covering, for example a heat-shrinkable plastic tube which is chemically stable, as shown in Fig. 3B. The covering may consist of a metal layer applied by vacuum deposition to the entire surface of the metal tube, and more preferably a coating of low melting point glass applied to the metal tube to seal it completely.
Die Fig. 4A erläutert einen länglichen gesinterten Supraleiter mit einem rechteckigen Querschnitt gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und die Fig. 4B zeigt eine ebene Draufsicht darauf. Dieser Supraleiter kann nach einem Verfahren hergestellt werden, das umfasst das Formen des supraleitenden Materials, um es in die Gestalt eines rechteckigen Körpers 21 zu bringen, und das anschließende Bedecken des geformten Gegenstandes 21 mit einer Metallhülle 22.Fig. 4A illustrates an elongated sintered superconductor having a rectangular cross section according to an embodiment of the present invention, and Fig. 4B shows a plan view thereof. This superconductor can be manufactured by a method comprising molding the superconducting material to form it into the shape of a rectangular body 21 and then covering the molded article 21 with a metal shell 22.
Die Fig. 5 erläutert eine weitere Ausführungsform des länglichen Gegenstandes, der den gleichen kreisförmigen Querschnitt hat wie derjenige gemäß Fig. 11 der vorliegenden Erfindung, in diesem Fall ist jedoch der Supraleiter 21 mit einer Hülle 24 in Form eines Netzes (Gitters) bedeckt. Die Fig. 5A zeigt eine Querschnittsansicht und die Fig. 5B eine perspektivische Ansicht des resultierenden Supraleiters.Fig. 5 illustrates another embodiment of the elongated article having the same circular cross-section as that of Fig. 11 of the present invention, but in this case the superconductor 21 is covered with a sheath 24 in the form of a mesh (lattice). Fig. 5A shows a cross-sectional view and Fig. 5B a perspective view of the resulting superconductor.
Die oben genannte Variation kann für verschiedene Anwendungszwecke eingesetzt werden. Das Vorhandensein der oben genannten porösen äußeren Hülle oder Schale bietet die folgenden Vorteile:The above variation can be used for various applications. The presence of the above porous outer shell or cover provides the following advantages:
zuerst wird die Oberfläche der Hülle 22 und 24 durch die oxidative Behandlung oxidiert unter Bildung von Kupferoxid, sodass der Sauerstoff-Gehalt in dem gesinterten Supraleiter durch die Oxidation der Hülle 22 oder 24 nicht beeinflusst oder verändert wird. Insbesondere sind im Falle der Fig. 2A und der Fig. 4 die durchgehenden Löcher 13 über die gesamte Oberfläche des Metallrohres 11 und 22 verteilt, sodass der gesinterte Supraleiter mit der äußeren Atmosphäre in Verbindung stehen kann. Durch die netzartige Hülle 24 kann eine größere Kontakt-Oberfläche zwischen dem Supraleiter und der umgebenden Atmosphäre erzielt werden.First, the surface of the shell 22 and 24 is oxidized by the oxidative treatment to form copper oxide, so that the oxygen content in the sintered superconductor is not affected or changed by the oxidation of the shell 22 or 24. In particular, in the case of Fig. 2A and Fig. 4, the through holes 13 are distributed over the entire surface of the metal tube 11 and 22 so that the sintered superconductor can communicate with the external atmosphere. The mesh-like shell 24 can achieve a larger contact surface between the superconductor and the surrounding atmosphere.
Die Fig. 6 erläutert eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung eines erfindungsgemäßen länglichen Gegenstandes. In diesem Fall wird das Keramikmaterialpulver vorzugsweise mit einem organischen Bindemittel gemischt.Fig. 6 illustrates an apparatus for continuously producing an elongated object according to the invention. In this case, the ceramic material powder is preferably mixed with an organic binder.
Die Vorrichtung umfasst einen kontinuierlichen Ofen, der mit zwei Heizeinrichtungen in einer Bindemittel-Entfernungszone 112 und in einer Sinterzone 113 ausgestattet ist. Dem Einlass der Bindemittel-Entfernungszone 112 wird von einer Haspel 115 ein längliches Band oder Draht 114 zugeführt. Der von der Haspel 115 abgewickelte längliche Gegenstand 114 wird der Bindemittel- Entfernungszone 112 kontinuierlich zugeführt, in der der längliche Gegenstand 114 auf eine Temperatur von 400 bis 700ºC erhitzt wird, um das Bindemittel aus dem länglichen Gegenstand 114 zu entfernen.The apparatus comprises a continuous furnace equipped with two heaters in a binder removal zone 112 and in a sintering zone 113. An elongated strip or wire 114 is fed to the inlet of the binder removal zone 112 from a reel 115. The elongated article 114 unwound from the reel 115 is continuously fed to the binder removal zone 112 where the elongated article 114 is heated to a temperature of 400 to 700°C to remove the binder from the elongated article 114.
Nach der Bindemittel-Entfernungszone 112 wird der längliche Gegenstand 114 in eine kontinuierliche Umhüllungsstation 116 eingeführt, die stromabwärts von der Bindemittel-Entfernungszone 112 angeordnet ist. Die kontinuierliche Umhüllungsstation 116 ist mit einer Trommel 118 zur Einführung einer Folie 117 aus Metall oder einer Legierung in eine Führung 119 ausgestattet, in der die Folie 117 um den länglichen Gegenstand 114 herumgewickelt wird. Der Rand (Naht) der herumgewickelten Folie 117 wird mittels einer Laser-Schweißeinrichtung 120 verschweißt, sodass der längliche Gegenstand 114 von der Metallfolie 117 umhüllt ist.After the binder removal zone 112, the elongated article 114 is introduced into a continuous wrapping station 116, which is arranged downstream of the binder removal zone 112. The continuous wrapping station 116 is equipped with a drum 118 for introducing a foil 117 made of metal or an alloy into a guide 119 in which the foil 117 is wrapped around the elongated article 114. The edge (Seam) of the wrapped foil 117 is welded by means of a laser welding device 120 so that the elongated object 114 is enveloped by the metal foil 117.
Der resultierende Verbundkörper, der den länglichen Gegenstand 114 und die Abdeckungsfolie oder äußere Hülle 117 umfasst, wird dann in die Sinterzone 113 eingeführt, in der der Verbundkörper auf eine Temperatur von 850 bis 950ºC erhitzt wird, um den länglichen Körper zu sintern. Die Längsdimension oder Länge der Sinterzone 113 und die Geschwindigkeit der Vorwärtsbewegung des Verbundkörpers können in der Weise eingestellt werden, dass das Sintern vollständig durchgeführt wird.The resulting composite body comprising the elongated article 114 and the covering film or outer shell 117 is then introduced into the sintering zone 113 where the composite body is heated to a temperature of 850 to 950°C to sinter the elongated body. The longitudinal dimension or length of the sintering zone 113 and the speed of advancement of the composite body can be adjusted so that the sintering is fully accomplished.
Das auf diese Weise erhaltene Produkt 121 kann für die Lagerung auf eine Trommel 122 aufgewickelt werden. Bei dieser Ausführungsform weist das Produkt eine ausreichende Flexibilität und ausreichende selbsttragende Eigenschaften auf, da der längliche Gegenstand 114 das Bindemittel enthält. Die in Fig. 6 dargestellte Vorrichtung erlaubt die kontinuierliche Durchführung der Sinterung mit einer höheren Produktivität.The product 121 obtained in this way can be wound on a drum 122 for storage. In this embodiment, the product has sufficient flexibility and sufficient self-supporting properties since the elongated object 114 contains the binder. The device shown in Fig. 6 allows the sintering to be carried out continuously with a higher productivity.
Bei einer Abänderung der vorliegenden Erfindung kann der Verbundkörper, der den länglichen Gegenstand und die äußere Folie (Hülle) umfasst, so geformt oder verformt werden, dass er die gewünschte Konfiguration, beispielsweise die Form einer Spule (Rolle) oder dgl., hat, wegen der höheren Flexibilität und selbsttragenden Eigenschaften, sodass das Sintern im Zustand der aufgerollten Konfiguration oder in einem Zustand, in dem die Spule (Rolle) von einem anderen elektrisch leitenden Körper getragen wird, durchgeführt werden kann. Durch das Vorhandensein der Hülle aus Metall oder einer Metalllegierung wird auch die Biegefestigkeit erhöht.In a modification of the present invention, the composite body comprising the elongated article and the outer film (shell) can be shaped or deformed to have the desired configuration, for example, the shape of a coil (roll) or the like, because of the higher flexibility and self-supporting properties, so that the sintering can be carried out in the state of the rolled-up configuration or in a state in which the coil (roll) is supported by another electrically conductive body. The presence of the shell made of metal or a metal alloy also increases the bending strength.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können als Keramikmaterialpulver die folgenden Pulver verwendet werden:In a preferred embodiment of the present invention, the following powders can be used as ceramic material powder:
(1) Ein Keramikpulver, das Compound-Oxide enthält, welche die Kristallstruktur von Oxiden vom K&sub2;NiF&sub4;-Typ aufweisen und supraleitende Eigenschaften besitzen, insbesondere Pulver aus [La,Ba]&sub2;CuO&sub4; oder [La,Sr]&sub2;CuO&sub4;;(1) A ceramic powder containing compound oxides having the crystal structure of K2NiF4 type oxides and possessing superconducting properties, particularly powder of [La,Ba]2CuO4 or [La,Sr]2CuO4;
(2) Compound-Oxide mit einer Kristallstruktur vom Perovskit-Typ, die supraleitend sind und die allgemeine Formel haben:(2) Compound oxides with a perovskite-type crystal structure that are superconducting and have the general formula:
(α 1-x, βx) γy Oz(α 1-x, βx) γy Oz
worin α für ein Element steht, ausgewählt aus Elementen der Gruppe IIa des Periodischen Systems der Elemente, β für ein Element steht, ausgewählt aus den Elementen der Gruppe IIIa des Periodischen Systems der Elemente, γ für ein Element steht, ausgewählt aus den Elementen der Gruppe Ib, IIb, IIIb, IVa oder VIIIa des Periodischen Systems der Elemente, x, y und z für Zahlen stehen, die Werte innerhalb der folgenden jeweiligen Bereiche haben:wherein α represents an element selected from elements of Group IIa of the Periodic Table of Elements, β represents an element selected from elements of Group IIIa of the Periodic Table of Elements, �gamma represents an element selected from elements of Group Ib, IIb, IIIb, IVa or VIIIa of the Periodic Table of Elements, x, y and z represent numbers having values within the following respective ranges:
0,1 ≤ x ≤ 0,90.1 ≤ x ≤ 0.9
0,4 ≤ y ≤ 4,0, und0.4 ≤ y ≤ 4.0, and
1 ≤ z ≤ 51 ≤ z ≤ 5
insbesondere ein Compound-Oxid vom Ba-Y-Cu-O-Typ, in dem α für Ba, β für Y und γ für Cu stehen.in particular a compound oxide of the Ba-Y-Cu-O type, in which α stands for Ba, β for Y and γ for Cu.
Es ist möglich, auch einen anderen Typ von Keramikmaterialpulvern zu verwenden, beispielsweise ein Compound-Oxid, bestehend aus mindestens zwei Elementen, ausgewählt aus einer Gruppe, welche die Gruppen IIa und IIIa des Periodischen Systems der Elemente umfasst, einem Element, ausgewählt aus einer Gruppe, welche die Gruppe Va des Periodischen Systems der Elemente umfasst, Cu und Sauerstoff, z. B. ein Compound-Oxid vom Sr-Ca-Bi-Cu-O-Typ, das beispielsweise hergestellt wird durch Mischen von Bi&sub2;O&sub3;-, SrCO&sub3;-, CaCO&sub3;- und CuO-Pulvern, Trocknen und anschließendes Pressen der Pulvermischung, Sintern der gepressten Masse und anschließendes Pulverisieren der gesinterten Masse.It is also possible to use another type of ceramic material powders, for example a compound oxide consisting of at least two elements selected from a group comprising groups IIa and IIIa of the Periodic Table of the Elements, an element selected from a group comprising group Va of the Periodic Table of the Elements, Cu and oxygen, e.g. a compound oxide of the Sr-Ca-Bi-Cu-O type, which is prepared, for example, by mixing Bi₂O₃, SrCO₃, CaCO₃ and CuO powders, drying and then pressing the powder mixture, Sintering the pressed mass and subsequent pulverization of the sintered mass.
Die erfindungsgemäß verwendeten Material-Pulver sind auf die oben genannten nicht beschränkt.The material powders used in the invention are not limited to those mentioned above.
Die Keramikpulvermaterialien werden vorzugsweise vorher granuliert, bevor sie in das Metallrohr eingefüllt werden. Wenn das Materialpulver in dem Metallrohr nicht in einer höheren Packungsdichte gepresst werden kann, ist es zweckmäßig, das Materialpulver vorher zu granulieren, um das Einfüllen in das Metallrohr zu erleichtern und eine höhere Packungsdichte zu erzielen.The ceramic powder materials are preferably granulated in advance before being filled into the metal tube. If the material powder in the metal tube cannot be pressed into a higher packing density, it is convenient to granulate the material powder in advance to facilitate filling into the metal tube and to achieve a higher packing density.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird das Materialpulver zu Teilchen mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von weniger als 0,1 mm granuliert und dann vor dem Einfüllen in das Metallrohr wärmebehandelt. Diese Wärmebehandlung entspricht der Schluss-Sinterung, die bei dem konventionellen Verfahren angewendet wird. In diesem Fall kann das Materialpulver erforderlichenfalls einer weiteren Wärmebehandlung unterzogen werden, nachdem das Pulver in dem Metallrohr gepresst worden ist. Wenn die Wärmebehandlung des Pulvermaterials zu einer Koagulation der Pulver führt unter Bildung von großen Teilchen mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von mehr als 0,1 mm, kann das wärmebehandelte Pulver pulverisiert werden, bevor es in dem Metallror gepresst (verdichtet) wird. In diesem Fall wird eine konventionelle Schluss- Wärmebehandlung in dem pulverisierten Zustand mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von weniger als 0,1 mm durchgeführt. Das resultierende wärmebehandelte Pulver weist daher als Ganzes eine Kristallstruktur auf, die Supraleitfähigkeit besitzt und es bleibt daher kein Teil zurück, der nicht supraleitend ist.In a preferred embodiment, the material powder is granulated into particles having an average particle size of less than 0.1 mm and then heat-treated before being filled into the metal tube. This heat treatment corresponds to the final sintering used in the conventional method. In this case, the material powder may be subjected to further heat treatment if necessary after the powder has been pressed in the metal tube. If the heat treatment of the powder material results in coagulation of the powders to form large particles having an average particle size of more than 0.1 mm, the heat-treated powder may be pulverized before being pressed (compacted) in the metal tube. In this case, a conventional final heat treatment is carried out in the pulverized state having an average particle size of less than 0.1 mm. The resulting heat-treated powder therefore has a crystal structure as a whole that has superconductivity and therefore no part remains that is not superconducting.
Außerdem wird ein höherer Packungsfaktor oder eine höhere Packungsdichte in dem Metallrohr erzielt und es wird ein höheres Verlängerungs-Verhältnis des Drahtes gewährleistet. Der bei dieser Ausführungsform der Erfindung erhaltene resultierende Draht wird in einen länglichen supraleitenden Draht mit einer höheren kritischen Stromdichte umgewandelt.In addition, a higher packing factor or packing density is achieved in the metal tube and a higher elongation ratio of the wire is ensured. The The resulting wire is converted into an elongated superconducting wire with a higher critical current density.
Auf diese Weise kann ein Draht aus einem Compound-Oxid, welches die Kristallstruktur von Oxiden vom K&sub2;NiF&sub4;-Typ aufweist, beispielsweise ein Pulver aus [La,Ba]&sub2;CuO&sub4; oder [La,Sr]&sub2;CuO&sub4; erhalten werden durch Sintern einer Materialpulver-Mischung aus Oxiden, Carbonaten, Nitraten, Sulfaten oder dgl. der das Compound-Oxid aufbauenden Elemente, beispielsweise einer Pulvermischung aus La&sub2;O&sub3;, BaO&sub2;, SrO&sub2; und CuO.In this way, a wire made of a compound oxide having the crystal structure of K2NiF4 type oxides, for example, a powder of [La,Ba]2CuO4 or [La,Sr]2CuO4 can be obtained by sintering a material powder mixture of oxides, carbonates, nitrates, sulfates or the like of the elements constituting the compound oxide, for example, a powder mixture of La2O3, BaO2, SrO2 and CuO.
Das Metallrohr kann aus einem Metall, ausgewählt aus der Gruppe, die umfasst Ag, Au, Pt, Pd, Rh, Ir, Ru, Os, Cu, Al, Fe, Ni, Cr, Ti, Mo, W und Ta, und eine Legierung, die diese Metalle als Basis umfasst, hergestellt sein.The metal tube may be made of a metal selected from the group comprising Ag, Au, Pt, Pd, Rh, Ir, Ru, Os, Cu, Al, Fe, Ni, Cr, Ti, Mo, W and Ta, and an alloy comprising these metals as a base.
Insbesondere ist es bevorzugt, das Metall auszuwählen aus Ag, Au, Platinmetallen, die Pt, Pd, Rh, Ir, Ru und Os umfassen, und Legierungen, die sie als Basismetall enthalten. Die Metalle Ag, Au und die Platinmetalle sind gegenüber den supraleitenden Keramikmaterialien unter den Erhitzungs-Bedingungen nahezu inert und daher kann die Wärmebehandlung bei einer ausreichend hohen Temperatur durchgeführt werden, um so das Sintern oder die Feststoff-Feststoff-Reaktion zwischen den supraleitenden Keramik-Teilchen in dem Metallrohr zu beschleunigen, um einen einheitlichen länglichen Gegenstand zu erhalten. Wenn ein Metallrohr aus Kupfer anstelle eines solchen aus den Platinmetallen verwendet wird, besteht die Möglichkeit einer Reaktion zwischen dem supraleitenden Material und dem Kupfer des Metallrohrs, was zur Folge hat, dass die Zusammensetzung in dem resultierenden Draht verändert wird oder schwankt. Da das Kupferrohr oxidiert werden kann, ist es schwierig, die Wärmebehandlung bei einer hohen Temperatur durchzuführen. Diese Probleme können vermieden werden durch Verwendung eines Rohres aus einem Platinmetall, das gegenüber der Keramikfüllung des Rohres chemisch inert ist, und als Folge davon weist der resultierende Draht eine Zusammensetzung auf, die entlang der Längsrichtung gleichmäßig verteilt ist. Der supraleitende Draht, dessen äußeres Metallrohr aus einem Platinmetall besteht, weist daher nahezu die gleiche kritische Temperatur auf wie der Innenkörper oder die Masse, der (die) durch Sintern des gleichen Keramikmaterialpulvers hergestellt worden ist, und er weist eine viel höhere kritische Stromdichte auf als ein Draht, dessen äußeres Metallrohr aus Kupfer besteht.In particular, it is preferable to select the metal from Ag, Au, platinum group metals including Pt, Pd, Rh, Ir, Ru and Os, and alloys containing them as a base metal. The metals Ag, Au and the platinum group metals are almost inert to the superconducting ceramic materials under the heating conditions, and therefore the heat treatment can be carried out at a sufficiently high temperature so as to accelerate the sintering or solid-solid reaction between the superconducting ceramic particles in the metal tube to obtain a uniform elongated article. When a metal tube made of copper is used instead of one made of the platinum group metals, there is a possibility of a reaction between the superconducting material and the copper of the metal tube, resulting in the composition in the resulting wire being changed or fluctuating. Since the copper tube can be oxidized, it is difficult to carry out the heat treatment at a high temperature. These problems can be avoided by using a tube made of a platinum metal that is chemically inert to the ceramic filling of the tube, and as a result the resulting wire has a composition that is evenly distributed along the length direction. The superconducting wire, whose outer metal tube is made of a platinum group metal, therefore has almost the same critical temperature as the inner body or mass made by sintering the same ceramic material powder, and it has a much higher critical current density than a wire whose outer metal tube is made of copper.
Erfindungsgemäß ist es auch möglich, ein anderes Metall, z. B. Kupfer, eine Kupfer-Legierung oder rostfreien Stahl, um das äußere Metallrohr herum anzuordnen. Diese zusätzliche Metallschicht erhöht die Flexibilität des resultierenden Drahtes, der durch plastische Verformung erhalten wird.According to the invention, it is also possible to arrange another metal, e.g. copper, a copper alloy or stainless steel, around the outer metal tube. This additional metal layer increases the flexibility of the resulting wire, which is obtained by plastic deformation.
Die Stufe der plastischen Verformung des mit dem Keramikmetall-Pulver gefüllten Metallrohres wird vorzugsweise unter solchen Bedingungen durchgeführt, dass der Querschnitt des Metallrohres in einem Dimensionsverkleinerungs- Verhältnis in dem Bereich von 16 bis 92%, besonders bevorzugt von 20 bis 90 %, verkleinert wird. Wenn das Verkleinerungs-Verhältnis 92% übersteigt, kann das Materialpulver, welches das Rohr ausfüllt, der Bewegung der inneren Oberfläche des Metallrohres nicht folgen oder diese nicht begleiten, was zu einem Bruch des gesinterten Keramikdrahtes im Innern des Metallrohres an mehreren Punkten führt. Wenn andererseits das Verkleinerungs-Verhältnis weniger als 16% beträgt, kann keine zufriedenstellende Packungsdichte in dem Metallrohr erwartet werden, sodass kein vollständiges Sintern durchgeführt werden kann.The step of plastically deforming the metal tube filled with the ceramic metal powder is preferably carried out under such conditions that the cross section of the metal tube is reduced in a dimension reduction ratio in the range of 16 to 92%, more preferably 20 to 90%. If the reduction ratio exceeds 92%, the material powder filling the tube cannot follow or accompany the movement of the inner surface of the metal tube, resulting in breakage of the sintered ceramic wire inside the metal tube at several points. On the other hand, if the reduction ratio is less than 16%, a satisfactory packing density in the metal tube cannot be expected, so that complete sintering cannot be carried out.
Die plastische Verformung wird vorzugsweise durchgeführt unter Anwendung eines Drahtzieh-Verfahrens, insbesondere mittels einer Ziehdüse oder einer Reihe von Ziehdüsen, einer Zylinder-Ziehdüse oder einer Reihe von Zylinder- Ziehdüsen oder eines Extruders oder einer Reihe von Extrudern. Die plastische Verformung kann durch Schmieden durchgeführt werden, das vorzugsweise mittels einer Gesenkschmiede-Einheit oder durch Walzen erreicht wird.The plastic deformation is preferably carried out using a wire drawing process, in particular by means of a drawing die or a series of drawing dies, a cylinder drawing die or a series of cylinder drawing dies, or an extruder or a series of extruders. The plastic deformation can be carried out by forging, which is preferably achieved by means of a die forging unit or by rolling.
Es ist auch möglich, mehr als zwei Arbeitsgänge der oben genannten plastischen Verformung durch Extrusion, Auswalzen, Gesenkschmieden und/oder durch ein anderes Drahtziehen miteinander zu kombinieren. Es ist auch möglich, den verformten Draht in die gewünschte Konfiguration zu bringern, beispielsweise in die Gestalt einer Spule (Rolle), die auf einen supraleitenden Magneten oder dgl. aufgebracht werden kann, bevor die Spule (Rolle) wärmebehandelt wird.It is also possible to combine more than two operations of the above-mentioned plastic deformation by extrusion, rolling, drop forging and/or other wire drawing. It is also possible to form the deformed wire into the desired configuration, for example into the shape of a coil (roll) which can be applied to a superconducting magnet or the like, before the coil (roll) is heat treated.
Die Wärmebehandlung des mit dem Keramikmaterialpulver gefüllten Metallrohres, die nach der plastischen Verformung durchgeführt wird, wird vorzugsweise bei einer Temperatur in dem Bereich von 700 bis 1000ºC durchgeführt, die ausgewählt wird als Funktion der das Keramikmaterial aufbauenden Elemente. Auf diese Weise werden die in das Metallrohr eingefüllten supraleitenden Pulver in einem Zustand gehalten, in dem sie miteinander in Kontakt stehen, jedoch nicht miteinander verschmelzen unter Bildung eines zusammehängenden Körpers, auch nicht nach der plastischen Verformung. Die Wärmebehandlung fördert das Sintern oder die Reaktion zwischen den Pulvern unter Bildung eines einheitlichen Produkts.The heat treatment of the metal tube filled with the ceramic material powder, which is carried out after the plastic deformation, is preferably carried out at a temperature in the range of 700 to 1000°C, which is selected as a function of the elements constituting the ceramic material. In this way, the superconducting powders filled in the metal tube are kept in a state in which they are in contact with each other, but do not fuse together to form a continuous body even after the plastic deformation. The heat treatment promotes sintering or reaction between the powders to form a uniform product.
Allgemein gilt, dass die Temperatur, bei der das Sintern der Pulver des Compound-Oxids durchgeführt wird, unterhalb des Schmelzpunktes des Sinterkörpers liegt, der die Obergrenze darstellt, und vorzugsweise oberhalb einer Temperatur liegt, die um 100ºC niedriger ist als der Schmelzpunkt. Wenn die Sintertemperatur unterhalb der Temperatur liegt, die um 100ºC niedriger ist als der Schmelzpunkt, kann keine vollständige Sinter-Reaktion erzielt werden, und daher weist das resultierende Produkt keine praktikable Festigkeit auf. Wenn andererseits die Sintertemperatur die Obergrenze des Schmelzpunktes übersteigt, wird eine flüssige Phase gebildet, sodass der Sinterkörper schmilzt oder sich zersetzt, was zu einer Herabsetzung der Tc führt.Generally, the temperature at which sintering of the compound oxide powders is carried out is below the melting point of the sintered body, which is the upper limit, and preferably above a temperature lower than the melting point by 100ºC. If the sintering temperature is below the temperature lower than the melting point by 100ºC, complete sintering reaction cannot be achieved and therefore the resulting product does not have practical strength. On the other hand, if the sintering temperature exceeds the upper limit of the melting point, a liquid phase is formed, so that the sintered body melts or decomposes, resulting in a decrease in Tc.
Bei einer Ausführungsform wird das Metallrohr, nachdem es mit dem Materialpulver gefüllt worden ist, verformt oder zu einem Draht ausgezogen zur Erzielung der gewünschten Konfiguration, das Metallrohr wird einem Sintern unterworfen bei einer Temperatur, bei der der Compound-Oxid-Supraleiter nicht gebildet wird, die jedoch größer als oder gleich der Hälfte der Reaktionstemperatur ist, ausgedrückt als absolute Temperatur, in einem solchen Umfang, dass die Korngrenzen der Materialpulver ineinander diffundieren. Nach der Drahtausziehstufe wird eine Zwischenglühung durchgeführt, an die sich ein weiteres Drahtziehen anschließt. Erforderlichenfalls kann die Kombination von Drahtziehen und Zwischenglühen mit der gewünschten Häufigkeit wiederholt werden. Danach wird der gesinterte Verbundkörper der Schlussbehandlung unterzogen, die umfasst ein langsames Abkühlen mit einer Geschwindigkeit von weniger als 50ºC/min und ein schnelles Abkühlen mit einer Geschwindigkeit von mehr als 50ºC/min. um das fertige Supraleiterprodukt zu erhalten. Die Gründe dafür, warum das oben genannte Verfahren bevorzugt ist, resultieren aus dem Umstand, dass die supraleitende Keramik aus einem Compound-Oxid vom Y-Ba- Cu-O-Typ keine supraleitenden Eigenschaften aufweist, wenn sie nicht bei einer Temperatur von mehr als etwa 900ºC gesintert wird und dadurch das die Keramik aufbauende Element Cu durch Umsetzung mit dem Metall, aus dem das äußere Rohr besteht, reduziert wird, was zu einer Beeinträchtigung (Verschlechterung) der Supraleitfähigkeit führt. Um dieses Problem zu lösen, wird vorzugsweise als Materialpulver ein solches Pulver verwendet, das hergestellt wird durch Pulverisieren einer gesinterten Keramikmasse, die selbst supraleitfähig ist, und Durchführung des Sinterns bei einer Temperatur, bei der keine reduktive Reaktion nach dem Drahtziehvorgang auftritt.In one embodiment, the metal tube, after being filled with the material powder, is deformed or drawn into a wire to achieve the desired configuration, the metal tube is subjected to sintering at a temperature at which the compound oxide superconductor is not formed but which is greater than or equal to half the reaction temperature in absolute temperature, to such an extent that the grain boundaries of the material powders diffuse into each other. After the wire drawing step, an intermediate annealing is carried out, which is followed by further wire drawing. If necessary, the combination of wire drawing and intermediate annealing can be repeated as often as desired. Thereafter, the sintered composite body is subjected to the final treatment which comprises slow cooling at a rate of less than 50ºC/min and rapid cooling at a rate of more than 50ºC/min. to obtain the finished superconductor product. The reasons why the above method is preferred are that the Y-Ba-Cu-O type compound oxide superconducting ceramic does not exhibit superconducting properties unless it is sintered at a temperature higher than about 900°C, and thereby the constituent element Cu of the ceramic is reduced by reacting with the metal constituting the outer tube, resulting in deterioration of superconductivity. In order to solve this problem, it is preferable to use as the material powder a powder prepared by pulverizing a sintered ceramic mass which is itself superconductive and carrying out sintering at a temperature at which no reductive reaction occurs after the wire drawing process.
Es ist auch bevorzugt, dass nach Beendigung des Sinterns oder der Wärmebehandlung das Metallrohr, das in seinem Innern einen gesinterten Keramickörper enthält, mit einer Geschwindigkeit von weniger als 50ºC/min langsam abgekühlt wird. Wenn das erfindungsgemäße Verfahren auf einen gesinterten Keramikdraht aus einem Compound-Oxid vom Y-Ba-Cu-O-Typ oder dgl. angewendet wird, kann eine Verbesserung der supraleitenden Eigenschaften erzielt werden durch eine Wärmebehandlung, die ein langsames Abkühlen des Sinterkörpers mit einer Geschwindigkeit von weniger als 50ºC/min und ein schnelles Abkühlen desselben mit einer Geschwindigkeit von mehr als 50ºC/min umfasst.It is also preferable that after completion of the sintering or heat treatment, the metal tube containing a sintered ceramic body inside it is slowly cooled at a rate of less than 50°C/min. When the method of the present invention is applied to a sintered ceramic wire made of a compound oxide of Y-Ba-Cu-O type or the like, an improvement in superconducting properties can be achieved by a heat treatment which comprises slowly cooling the sintered body at a rate of less than 50°C/min and rapid cooling thereof at a rate exceeding 50ºC/min.
Das äußere Metallrohr oder die äußere Metallhülle kann nach Beendigung des Sinterns entfernt werden, erforderlichenfalls kann aber auch das äußere Metallrohr so wie es vorliegt auf der äußeren Oberfläche des gesinterten Keramickörpers verbleiben, um die Sicherheit für das Magnetfeld zu verbessern und einen Wärmeabführungsweg als Vorsichtsmaßnahme für den Fall zu gewährleisten, dass die Supraleitfähigkeit unerwartet abbricht. Andererseits ist es dann, wenn die inhärenten Eigenschaften eines gesinterten Keramikkörpers, beispielsweise die Beständigkeit gegen Chemikalien und die Beständigkeit gegen Abrieb, erforderlich sind, bevorzugt, das Metallrohr von dem Sinterkörper zu entfernen (Fig. 1J). Das äußere Metall kann von dem Sinterkörper auf mechanischem Wege, beispielsweise durch Abschleifen, oder auf chemischem Wege, beispielsweise durch Verwendung einer Ätzflüssigkeit wie Salpetersäure entfernt werden.The outer metal tube or the outer metal shell may be removed after completion of sintering, but if necessary, the outer metal tube may be left as it is on the outer surface of the sintered ceramic body to improve safety for the magnetic field and to provide a heat dissipation path as a precaution in case the superconductivity breaks unexpectedly. On the other hand, when the inherent properties of a sintered ceramic body, such as chemical resistance and abrasion resistance, are required, it is preferable to remove the metal tube from the sintered body (Fig. 1J). The outer metal may be removed from the sintered body by mechanical means, such as grinding, or by chemical means, such as using an etching liquid such as nitric acid.
Bei einer Variation des erfindungsgemäßen Verfahrens kann nahezu das gesamte Metall des Metallrohres während der Sinterstufe entfernt werden, nämlich dann, wenn die Sinterung und Entfernung des Metalls gleichzeitig durchgeführt werden, wobei eine sehr dünne Hautschicht auf der Oberfläche des Sinterkörpers zurückbleibt. Die Dicke der auf der Oberfläche des Sinterkörpers verbleibenden Hautschicht beträgt weniger als 500 um, vorzugsweise weniger als 200 um, sodass die auf der Oberfläche verbleibende Hautschicht auch dann auf der Oberfläche festgehalten wird, wenn das Metall während des Sinterns aufgrund seiner eigenen Oberflächenspannung schmilzt, ohne dass das geschmolzene Metall tropft.In a variation of the method of the invention, almost all of the metal of the metal tube can be removed during the sintering step, namely when sintering and removal of the metal are carried out simultaneously, leaving a very thin skin layer on the surface of the sintered body. The thickness of the skin layer remaining on the surface of the sintered body is less than 500 µm, preferably less than 200 µm, so that even if the metal melts during sintering due to its own surface tension, the skin layer remaining on the surface is retained on the surface without dripping of the molten metal.
Es ist bevorzugt, dass die plastische Verformung durch Metallbearbeitung oder Metallverarbeitung in der Weise durchgeführt wird, dass der zu bearbeitende Gegenstand einer Druckbeanspruchung ausgesetzt wird, beispielsweise durch Drahtziehen und Schmieden, um so zu bewirken, dass das in das Metallrohr eingefüllte Materialpulver gepresst (verdichtet) wird.It is preferred that the plastic deformation is carried out by metalworking or metal processing in such a way that the object to be processed is subjected to a compressive stress, for example by Wire drawing and forging to cause the material powder filled into the metal tube to be pressed (compacted).
Erfindungsgemäß wird eine Folge von Stufen angewendet, die nach der plastischen Verformung beispielsweise durch Drahtziehen zur Verkleinerung der Querschnitts-Dimension des fertigen Metallrohres umfassen, die Durchführung einer Zwischenglühung mit dem verformten Rohr bei einer Temperatur, bei der das Metallrohr geglüht wird, die weitere Durchführung einer plastischen Verformung, beispielsweise durch Drahtziehen des geglühten Rohres, und das anschließende Durchführen einer Schluss-Wärmebehandlung mit dem resultierenden Rohr, um das in das Metallrohr eingefüllte Keramikmaterialpulver zu sintern. In diesem Fall kann das Metallrohr nach der Zwischenglühung und dem ersten Glühen, jedoch vor dem Schlussglühen des Keramikmaterialpulvers entfernt werden, um eine unerwünschte Reaktion zwischen dem Keramikpulver und dem Metall des Metallrohres bei einer hohen Sintertemperatur zu verhindern. Es ist auch möglich, ein weiteres Zwischenglühen nach dem ersten Drahtziehen, das auf das erste Zwischenglühen folgt, zu wiederholen, sodass danach das Metallrohr entfernt wird nach dem wiederholten zweiten Zwischenglühen vor dem Schlussglühen. Bei dieser Folge von Arbeitsgängen, die das erste Glühen, das Drahtziehen und das zweite Glühen umfassen, ergibt das zweite Glühen in vorteilhafter Weise eine ausreichende Festigkeit, die gegen eine von außen auf den geglühten Gegenstand ausgeübte Kraft beständig ist, und/oder dem geglühten Körper die gewünschte Konfiguration verleiht, bevor er dem Schluss-Sinterungs-Ofen zugeführt und darin gehalten wird, in dem der geglühte Gegenstand ohne äußeres Metallrohr geglüht wird. Die Kombination aus dem Drahtziehen und dem Zwischenglühen kann mit der gewünschten Häufigkeit wiederholt werden, um das Dimensions-Verkleinerungsverhältnis in Richtung des Querschnitts zu erhöhen, ohne dass ein Drahtbruch auftritt, und damit weist der resultierende Draht einen kleinen Durchmesser und eine höhere Festigkeit auf.According to the invention, a sequence of steps is used which include, after plastic deformation, for example by wire drawing to reduce the cross-sectional dimension of the finished metal tube, performing an intermediate annealing on the deformed tube at a temperature at which the metal tube is annealed, further performing plastic deformation, for example by wire drawing on the annealed tube, and then performing a final heat treatment on the resulting tube to sinter the ceramic material powder filled in the metal tube. In this case, the metal tube can be removed after the intermediate annealing and the first annealing, but before the final annealing of the ceramic material powder, in order to prevent an undesirable reaction between the ceramic powder and the metal of the metal tube at a high sintering temperature. It is also possible to repeat another intermediate annealing after the first wire drawing, which follows the first intermediate annealing, so that the metal tube is then removed after the repeated second intermediate annealing before the final annealing. In this sequence of operations comprising the first annealing, the wire drawing and the second annealing, the second annealing advantageously provides sufficient strength to withstand a force applied externally to the annealed article and/or to give the annealed body the desired configuration before it is fed to and held in the final sintering furnace in which the annealed article is annealed without the external metal tube. The combination of the wire drawing and the intermediate annealing can be repeated with the desired number of times to increase the dimensional reduction ratio in the cross-sectional direction without wire breakage occurring, and thus the resulting wire has a small diameter and higher strength.
Das Zwischenglühen wird in einem Temperaturbereich durchgeführt, in dem das Metallrohr geglüht wird, das Keramikpulver jedoch nicht gesintert wird. Da das Zwischenglühen, das auf das Drahtziehen folgt, in einem Temperaturbereich durchgeführt wird, in dem das Metallrohr geglüht wird, das Keramikpulver jedoch nicht gesintert wird, kann ein höheres Dimensions-Verkleinerungsverhältnis erzielt werden unter Bildung eines dünnen Keramikdrahtes mit einer zufriedenstellenden Biegefestigkeit ohne Brechen. Das Zwischenglühen kann bei einer geeigneten Temperatur durchgeführt werden, die ausgewählt wird als Funktion der Art des Metalls, aus dem das Metallrohr besteht, und der Komponenten und der Zusammensetzung des Keramikpulvers. Es ist auch möglich, vor und/oder nach der Warmbearbeitungsstufe eine Kaltbearbeitungsstufe durchzuführen. Außerdem ist es auch möglich, die Reihe von Stufen, welche die oben genannten Warmbearbeitungs- und Sinterungsstufen umfassen, mehrmals zu wiederholen.The intermediate annealing is carried out in a temperature range in which the metal tube is annealed but the ceramic powder is not sintered. Since the intermediate annealing following the wire drawing is carried out in a temperature range in which the metal tube is annealed but the ceramic powder is not sintered, a higher dimensional reduction ratio can be achieved to form a thin ceramic wire with a satisfactory bending strength without breaking. The intermediate annealing can be carried out at an appropriate temperature selected as a function of the type of metal constituting the metal tube and the components and composition of the ceramic powder. It is also possible to carry out a cold working step before and/or after the hot working step. In addition, it is also possible to repeat the series of steps comprising the above hot working and sintering steps several times.
Bei einer speziellen Variation des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die durchgehenden Löcher, die eine Wand des Metallrohres durchqueren, nach Beendigung der plastischen Verformung erzeugt, sodass das Keramikmaterialpulver, das in das perforierte Metallrohr eingefüllt wird, in einem offenen Zustand gesintert wird.In a specific variation of the method of the invention, the through holes traversing a wall of the metal tube are created after completion of the plastic deformation, so that the ceramic material powder filled into the perforated metal tube is sintered in an open state.
Bei dieser Variation wird die Wand des Metallrohres des Drahtes nach dem Drahtziehen mittels eines Lasers, eines Elektronenstrahls oder eines Mikrobohrers oder dgl. perforiert, um so den Durchgang eines Gases, insbesondere eines Sauerstoff enthaltenden Gases, durch die Perforationen oder Löcher hindurch zu ermöglichen. Wenn das Metallrohr nicht perforiert ist, wird das Keramikpulvermaterial in einem geschlossenen oder versiegelten Zustand in dem äußeren Metallrohr in der Sinterstufe gesintert, sodass das Sauerstoffdefizit in dem Compound-Oxid zu groß ist, um ein Produkt mit einer verbesserten Supraleitfähigkeit zu erhalten. Es ist daher bevorzugt, durchgehende Löcher in der Wand vorzusehen und das Sintern des Metallrohrs in einer Sauerstoffgas enthaltenden Atmosphäre durchzuführen, um eine geeignete Menge Sauerstoff dem Compound-Oxid in dem Metallrohr zuzuführen. Die generelle Eigenschaft der supraleitenden Compound-Oxide ist die, dass die Supraleitfähigkeit durch das Sauerstoffdefizit in der Kristallstruktur beeinflusst wird. Das heißt mit anderen Worten, das Sauerstoffdefizit sowie die Kristallstruktur des resultierenden Sinterdrahtes sind Schlüsselfaktoren für die Supraleitfähigkeit. Es ist daher wichtig, die Atomverhältnisse der Elemente so einzustellen, dass die oben genannten Bereiche der Elemente, die in Verbindung mit der allgemeinen Formel: (α 1-x, βx) γy Oz definiert sind, eingehalten sind und das erfindungsgemäße oben genannte Verfahren eingehalten wird, um die durch die allgemeine Formel definierten Sauerstoff-Gehalte einzustellen. Sonst kann der Tc-Wert nicht verbessert werden wegen einer anderen Kristallstruktur und eines ungeeigneten Sauerstoffdefizits.In this variation, the wall of the metal tube of the wire is perforated after wire drawing by means of a laser, an electron beam or a micro-drill or the like so as to allow the passage of a gas, particularly an oxygen-containing gas, through the perforations or holes. When the metal tube is not perforated, the ceramic powder material is sintered in a closed or sealed state in the outer metal tube in the sintering step, so that the oxygen deficit in the compound oxide is too large to obtain a product with improved superconductivity. It is therefore preferable to provide through holes in the wall and to carry out the sintering of the metal tube in an oxygen gas-containing atmosphere in order to provide an appropriate amount of oxygen. to the compound oxide in the metal tube. The general property of the superconducting compound oxides is that the superconductivity is affected by the oxygen deficiency in the crystal structure. In other words, the oxygen deficiency as well as the crystal structure of the resulting sintered wire are key factors for the superconductivity. It is therefore important to adjust the atomic ratios of the elements to meet the above-mentioned ranges of the elements defined in connection with the general formula: (α 1-x, βx) γy Oz and to follow the above-mentioned method of the invention to adjust the oxygen contents defined by the general formula. Otherwise, the Tc value cannot be improved due to a different crystal structure and an inappropriate oxygen deficiency.
Bei der vorstehend beschriebenen speziellen Variante kann durch die durchgehenden Löcher oder Schlitze, die in der äußeren Metallschicht vorgesehen sind, genügnd Sauerstoff zugeführt werden, sodass der resultierende Sinterkörper aus Compound-Oxid die Kristallstruktur einer so genannten Quasi- Perovskit-Kristallstruktur, z. B. eine orthorhombische Struktur oder dgl. aufweist, für die eine höhere Möglichkeit der Bildung von Cooper-Paaren besteht.In the special variant described above, sufficient oxygen can be supplied through the through holes or slots provided in the outer metal layer so that the resulting sintered body made of compound oxide has the crystal structure of a so-called quasi-perovskite crystal structure, e.g. an orthorhombic structure or the like, for which there is a higher possibility of the formation of Cooper pairs.
Die durchgehenden Löcher oder Schlitze werden vorzugsweise geschlossen durch Ausfüllen derselben mit Versiegelungsmaterial oder durch Abdecken der gesamten äußeren Oberfläche des Metallrohres mit einer anderen (weiteren) Metallhülle oder -Abdeckung, um das Compound-Oxid gegen Beeinträchtigung (Verschlechterung) als Folge eines Angriffs durch das umgebende feuchte Gas zu schützen.The through holes or slots are preferably closed by filling them with sealing material or by covering the entire external surface of the metal tube with another (further) metal sheath or covering in order to protect the compound oxide against deterioration as a result of attack by the surrounding moist gas.
Es ist auch bevorzugt, den Partialdruck des Sauerstoffgases während der Sinterstufe zu erhöhen, um das Eindringen des Sauerstoffgases durch die Löcher oder Schlitze zu fördern.It is also preferable to increase the partial pressure of the oxygen gas during the sintering step to promote the penetration of the oxygen gas through the holes or slits.
Nachstehend wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf erläuternde Beispiele näher beschrieben, es sei jedoch darauf hingewiesen, dass der Bereich der Erfindung dadurch nicht eingeschränkt wird.The present invention will now be described in more detail with reference to illustrative examples, but it should be noted that the scope of the invention is not limited thereby.
20,8 Gew.-% handelsübliches Y&sub2;O&sub3;-Pulver, 54,7 Gew.-% handelsübliches Ba- CO&sub3;-Pulver und 24,5 Gew.-% handelsübliches CuO-Pulver wurden in einer Reibmühle im feuchten Zustand miteinander gemischt und dann getrocknet. Das getrocknete Pulver wurde 24 h lang an der Luft bei 880ºC gesintert. Der Sinterkörper wurde pulverisiert und durch ein Sieb passiert, wobei man ein Pulver mit einer Teilchengröße von weniger als 100 mesh erhielt. Die Stufen Sintern, Pulverisieren und Sieben wurden dreimal wiederholt.20.8 wt% of commercial Y2O3 powder, 54.7 wt% of commercial BaCO3 powder and 24.5 wt% of commercial CuO powder were mixed together in an attritor in a wet state and then dried. The dried powder was sintered in air at 880°C for 24 hours. The sintered body was pulverized and passed through a sieve to obtain a powder having a particle size of less than 100 mesh. The steps of sintering, pulverizing and sieving were repeated three times.
Nach der Granulierungs-Behandlung wurde das Materialpulver in einem Eisenrohr mit eine Außendurchmesser von 5 mm, einen Innendurchmesser von 4 mm und einer Länge von 1 m gepresst (verdichtet) und die einander gegenüberliegenden Enden des Rohres wurden versiegelt.After the granulation treatment, the material powder was pressed (compacted) in an iron pipe with an outer diameter of 5 mm, an inner diameter of 4 mm and a length of 1 m and the opposite ends of the pipe were sealed.
Wenn das mit dem Materialpulver gefüllte Rohr einer Reihe von Drahtzieh- Arbeitsgängen in der Weise unterworfen wurde, dass sein Außendurchmesser in einem Querschnittsverminderungs-Verhältnis von 19% pro Durchgang verkleinert wurde, brach das Rohr, wenn sein Außendurchmesser auf 1,2 mm verringert wurde.When the tube filled with the material powder was subjected to a series of wire drawing operations in such a way that its outer diameter was reduced at a reduction ratio of 19% per pass, the tube broke when its outer diameter was reduced to 1.2 mm.
Das Drahtziehen wurde daher beendet, wenn der Außendurchmesser bis auf einen Wert von 1,5 mm verkleinert worden war. Dann wurde das Rohr einer Reihe von Arbeitsgängen unterworfen, die umfassen ein Zwischenglühen für 25 h bei 750ºC, eine Vielzahl von Drahtzieh-Arbeitsgängen, von denen jeder mit einem Querschnittsverminderungs-Verhältnis von 18% pro Durchgang durchgeführt wurde, sodass der Durchmesser des Rohres bis auf 0,6 mm verkleinert wurde, und ein Sintern, das 3 h lang bei 930ºC durchgeführt wurde. Der gemessene Wert für die kritische Temperatur (Tc) betrug 38ºK.Wire drawing was therefore terminated when the outside diameter had been reduced to a value of 1.5 mm. The tube was then subjected to a series of operations including an intermediate annealing for 25 hours at 750ºC, a plurality of wire drawing operations each of which was carried out at a reduction ratio of 18% per pass so that the diameter of the tube was reduced to 0.6 mm, and sintering carried out at 930ºC for 3 hours. The measured value of the critical temperature (Tc) was 38ºK.
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