DE69200725T2

DE69200725T2 - Mit Aluminium stabilisierter supraleitender Draht.

Info

Publication number: DE69200725T2
Application number: DE69200725T
Authority: DE
Inventors: Itaru Inoue; Keizo Kosugi; Yoshinori Nagasu; Takuya Suzuki
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 1991-02-20
Filing date: 1992-02-20
Publication date: 1995-05-11
Anticipated expiration: 2012-02-21
Also published as: US5266416A; EP0500101B1; FI920738A0; FI920738A7; EP0500101A1; CA2061080A1; CA2061080C; FI920738L; DE69200725D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen aluminiumstabilisierten supraleitenden Draht, welcher bezüglich der mechanischen Festigkeit der thermischen Stabilitat und der elektrischen Stabilitat ausgezeichnet und als Leiter eines Magnets geeignet ist.
Üblicherweise wird ein supraleitender Draht als Leiter eines supraleitenden Magnets oder von etwas ähnlichem verwendet, welcher erhalten wird, indem ein beispielsweise aus Nb-Ti hergestellter supraleitender Faden in einer Kupfermatrix versenkt wird.
Dieser supraleitende Draht wird beispielsweise auf folgende Weise hergestellt. Ein Stab aus einer Nb-Ti-Legierung wird in ein Kupferrohr oder ein Rohr aus einer Kupferlegierung eingebracht, um einen zusammengesetzten Knüppel zu bilden. Der zusammengesetzte Knüppel wird heiß extrudiert, um ihn zu vereinheitlichen. Der vereinheitlichte zusammengesetzte Knüppel wird dann einem Walzen und Ziehen, beispielsweise einem Draht ziehen, unterworfen. Ein supraleitender Mehrleiterdraht wird erhalten, indem eine Vielzahl von resultierenden supraleitenden Drähten in eine Kupferröhre gefüllt wird, um einen zusammengesetzten Knüppel zu bilden, und indem der zusammengesetzte Knüppel der oben beschriebenen Behandlung unterworfen wird. Wenn eine notwendige Anzahl von so erhaltenen supraleitenden Drahten oder supraleitenden Mehrleiterdrähten umeinander geschlungen werden, kann ein verseilter supraleitender Draht hergestellt werden.
Ein aluminiumstabilisierter supraleitender Draht wird erhalten, indem der oben beschriebene supraleitende Draht mit hochreinem Aluminium als stabilisierendem Teil überzogen wird, welches ein Restwiderstandsverhältnis (das Verhältnis eines elektrischen Widerstands bei 300 K zu einem elektrischen Widerstand bei 100 K) aufweist, welches viel höher ist als dasjenige des Kupfers. Der aluminiumstabilisierte supraleitende Draht ist bezüglich der thermischen Stabilitat und der elektrischen Stabilität im Vergleich zu einem konventionellen kupferstabilisierten supraleitenden Draht hervorragend, welcher nur mit Kupfer als stabilisierendem Teil überzogen ist. Es kommt hinzu, daß, da das spezifische Gewicht von Aluminium ein Drittel von dem des Kupfers beträgt, das Gewicht und die Größe des Magnets verkleinert werden können, wenn der supraleitende Draht im Magnet verwendet wird. Da das Aluminium eine kleinere Masse als Kupfer hat und auf diese Weise eine ausgezeichnete Elementarteilchenpermeabilität hat, ist die Anwendung eines aluminiumstabilisierten supraleitenden Drahts bei einem Magnet für einen Elementarteilchendetektor auf dem Gebiet der Hochenergiephysik untersucht worden.
GB-A-2132 002 offenbart einen elektrischen Supraleiter mit supraleitendenden Faden in einem Strang von hochreinem Kupfer, welcher in ein extrudiertes Aluminiumprofil als sekundärem Stabilisator eingeschlossen ist.
Da jedoch hochreines Aluminium als stabilisierendes Teil des aluminiumstabilisierten supraleitenden Drahts eine niedrige mechanische Festigkeit hat, wenn der aluminiumstabilisierte supraleitende Draht als Leiter eines großen Magnets verwendet wird, kann er durch die elektromagnetische Kraft deformiert werden.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen aluminiumstabilisierten supraleitenden Draht bereitzustellen, welcher bezüglich der thermischen Stabilität und der elektrischen Stabilität hervorragend ist und eine ausreichende mechanische Festigkeit gegen eine erzeugte elektromagnetische Kraft ausüben kann, wenn er in einem Magnet verwendet wird.
Diese Aufgabe kann mit einem aluminiumstabilisierten supraleitenden Draht gelöst werden, welcher ein supraleitendes Drahtteil, welches erhalten wird, indem ein supraleitender Faden in eine Kupfermatrix versenkt wird, und ein aluminiumstabilisiertes Teil aufweist, welches auf eine äußere Oberfläche des supraleitenden Drahtteils aufgebracht ist, wobei das aluminiumstabilisierte Teil zusammengesetzt ist aus einer Aluminiumlegierung, welche eine 0,2 %-Dehngrenze von nicht weniger als 4 kg/mm² bei einer sehr niedrigen Temperatur und ein Restwiderstandsverhältnis von nicht weniger als 250 aufweist.
Diese Erfindung kann aufgrund der folgenden detaillierten Beschreibung besser verstanden werden, wenn sie in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen gelesen wird, in welchen:
Fig. 1A bis 1E Querschnittsansichten sind, welche Anordnungen eines aluminiumstabilisierten supraleitenden Drahts gemäß Ausbildungen der vorliegenden Erfindung zeigen und
Fig. 2 und 3 Querschnittsansichten sind, welche Anordnungen des aluminiumstabilisierten supraleitenden Drahts gemäß Ausbildungen der vorliegenden Erfindung zeigen.
Als Erwiderung auf eine Anforderung des National Laboratory for High Energy Physics führten die Erfinder ausfuhrliche Untersuchungen an einem aluminiumstabilisierten supraleitenden Draht aus, und sie entdeckten Zn, Si, Ag, Cu und Ce als Legierungselemente, welche die mechanische Festigkeit von aluminiumstabilisiertem supraleitendem Draht verbesserten, ohne die Leitfähigkeit von Aluminium zu vermindern, und brachten so die vorliegende Erfindung zustande.
Ein aluminiumstabilisierter supraleitender Draht gemäß der vorliegenden Erfindung benutzt eine Aluminiumlegierung als ein Aluminiumstabilisierungsteil, welches eine hohe mechanische Festigkeit aufweist, wobei die 0,2 %-Dehngrenze 40 N/mm² (4 kg/mm²) oder mehr bei einer sehr niedrigen Temperatur beträgt. Deshalb wird er, wenn er als Leiter eines großen Magnets benutzt wird, nicht durch die elektromagnetische Kraft deformiert. Da das Restwiderstandsverhältnis der Aluminiumlegierung auf 250 oder mehr begrenzt ist, was dem spezifischen Widerstand eines konventionellen kupferstabilisierenden Teils bei einer sehr niedrigen Temperatur entspricht, ist der erhaltene aluminiumstabilisierte supraleitende Draht sowohl thermisch als auch elektrisch stabilisiert. Darüber hinaus kann ein Aluminiumstabilisierungsteil leicht hergestellt werden, wenn die wie oben beschriebene Aluminiumlegierung, welche eine kleine Menge eines Legierungselements enthalt, einer vorher festgelegten Kaltbearbeitung unterworfen wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die 0,2 %-Dehngrenze bei der sehr niedrigen Temperatur der Aluminiumlegierung, welche im Aluminiumstabilisierungsteil zum Umhüllen des supraleitenden Drahts oder des verseilten supraleitenden Drahts benutzt wird, aus folgendem Grund auf 40 N/mm² (4 kg/mm²) oder mehr begrenzt, namlich dem, daß, wenn der erhaltene aluminiumstabilisierte supraleitende Draht als Leiter eines großen Magnets verwendet wird, der aluminiumstabilisierte supraleitende Draht durch die elektromagnetische Kraft deformiert wird, sofern die 0,2 %-Dehngrenze bei der sehr tiefen Temperatur weniger als 4 kg/mm² beträgt.
0,2 %-Dehngrenze bezeichnet den Wert der Dehnung zu der Zeit, in der 0,2 % einer permanenten Verformung in einem Prufkörper erzeugt worden ist, welcher einer Festigkeitsprüfung unterworfen worden ist. Die Einheit der Dehnung ist die Belastung pro Querschnittsflache des Prüfkörpers.
Um die 0,2 %-Dehngrenze zu bestimmen, wird ein Verformungsmeßgerät an einen Prüfkörper angeklebt, um den Verformungsbetrag zu messen. Der Prüfkörper wird dann einer Festigkeitsprüfung unterworfen, um auf diese Weise eine Last-Verformungskurve zu erzeugen. Der Dehnungswert wird errechnet auf der Basis der Belastung zu der Zeit, wenn 0,2 % permanente Verformung erzeugt worden ist. Die sehr tiefe Temperatur, bei welcher die 0,2 %-Dehngrenze gemessen wird, ist bevorzugt 4,2 K.
Das Restwiderstandsverhältnis der Aluminiumlegierung, welche im Aluminiumstabilisierungsteil verwendet wird, ist auf 250 oder mehr begrenzt, weil, wenn es weniger als 250 beträgt, keine ausreichende thermische und elektrische Stabilität erhalten werden kann. In einem üblichen kupferstabilisierten supraleitenden Draht wird das Restwiderstandsverhältnis von Kupfer als Stabilisierungsteil normalerweise auf 150 eingestellt, das heißt, auf einen spezifischen Widerstand von 1,1 x 10&supmin;&sup8; Ω cm bei 10 K. Im Fall der Aluminiumlegierung ist das Widerstandsverhältnis 250, welches dem spezifischen Widerstand von 1,1 x 10&supmin;&sup8; Ω cm bei 10 K entspricht. Deshalb sind die thermische Stabilitat und die elektrische Stabilitat des aluminiumstabilisierten supraleitenden Drahts gemäß der vorliegenden Erfindung gleich wie oder besser als diejenigen des üblichen kupferstabilisierten supraleitenden Drahts.
Ein Beispiel der Aluminiumlegierung, welche der 0,2 %-Dehngrenze und dem Restwiderstandsverhältnis genügt, welche durch die vorliegende Erfindung eingestellt sind, schließt beispielsweise eine aus zwei Elementen bestehende Aluminiumlegierung, wie z. B. eine Al-Zn-tegierung, welche 50 bis 1000 ppm Zink enthalt und im übrigen aus Aluminium besteht, eine Al-Si-Legierung, welche 50 bis 150 ppm Si enthalt und im übrigen aus Aluminium besteht, eine Al-Ag-Legierung, welche 50 bis 400 ppm Ag enthalt und im übrigen aus Aluminium besteht, eine Al-Cu-Legierung, welche 50 bis 300 ppm Cu enthält und im übrigen aus Aluminium besteht, und eine Al-Oe-Legierung, welche 30 bis 2000 ppm Ce enthalt und im übrigen aus Aluminium besteht, und eine Mehrelement-Legierung ein, welche mindestens zwei Elemente, ausgewahlt aus der Gruppe Zn, Si, Ag, Cu und Ce, in den oben angegebenen Mengen enthalt. Das heißt, gemäß der vorliegenden Erfindung kann irgendeine Aluminiumlegierung verwendet werden, sofern sie eine 0,2 %-Dehngrenze von 40 N/mm² (4 kg/mm²) bei sehr niedriger Temperatur und ein Restwiderstandsverhältnis von 250 oder mehr aufweist. Der Gehalt des zusatzlichen Elements ist aus folgendem Grund auf den oben angegebenen Bereich begrenzt, nämlich dem, daß, wenn der Gehalt niedriger ist als die untere Grenze, der erhaltene supraleitende Draht nicht die ausreichende Festigkeit zeigen kann. Wenn der Gehalt höher ist, als die obere Grenze, wird das Restwiderstandsverhältnis der Aluminiumlegierung verschlechtert. In diesem Fall wird eine Aluminiumlegierung bevorzugt, welche mindestens eine der Kombinationen: 50 bis 1000 ppm Zn und 50 bis 400 ppm Ag, 10 bis 50 ppm Si und 10 bis 50 ppm Cu, oder 10 bis 50 ppm Si + Cu enthält und im übrigen aus Aluminium besteht. Ein supraleitender Draht wird zu einem Magneten geformt, und der Magnet kann mit einem Harz, beispielsweise einem Epoxidharz, imprägniert werden, so daß der Draht durch die elektromagnetische Kraft nicht bewegt wird, die durch das magnetische Feld und den Transportstrom erzeugt wird. Alternativ kann ein vorgehartetes Epoxidharzband um den supraleitenden Draht gewunden und gehärtet werden, indem es einer Wärmebehandlung unterworfen wird. In diesem Fall wird der Magnet auf 100 bis 150ºC 10 bis 30 Stunden lang erhitzt, um das Harz zu harten. Der Magnet wird durch diesen Erhitzungsprozeß erweicht, und seine mechanische Festigkeit, beispielsweise die 0,2 %-Dehngrenze, nimmt ab. Wenn 10 bis 50 ppm Si und 10 bis 50 ppm Cu oder 10 bis 50 ppm Si + Cu zusatzlich zu den Zn und/oder Ag, wie oben beschrieben, als Legierungselemente im Magnet enthalten sind, erhöht sich die Erweichungstemperatur des Magnets. In dem Fall, wenn der Gehalt an Si und/oder Cu geringer ist als die untere Grenze, ist der dtrch Erhöhung der Erweichungstemperatur erzeugte Effekt nicht ausreichend. Wenn der Gehalt größer als die obere Grenze ist, wird das Restwiderstandsverhältnis der Aluminiumlegierung verschlechtert. Jede dieser Aluminiumlegierungen besteht aus einer festen Lösung, in welcher die Legierungselemente in einer Aluminiummatrix enthalten sind.
Der aluminiumstabilisierte supraleitende Draht gemäß der vorliegenden Erfindung wird erhalten, indem ein supraleitender Draht oder ein verseilter supraleitender Draht mit einer Aluminiumlegierung mittels integralen Heißextrudierens überzogen wird, um ein getempertes Drahtteil zu erzeugen, oder indem das mit Aluminium überzogene oben beschriebene extrudierte Teil in eine vorher bestimmte Form gezogen wird, und indem es bei einer Temperatur getempert wird, welche höher ist als die Rekristallisationstemperatur, um ein getempertes Drahtteil zu erzeugen, und indem das getemperte Drahtteil mit einem Flächenverminderungsgrad von 3 bis 60 % kaltbearbeitet wird. Alternativ kann ein Aluminiumlegierungsteil, welches durch Kaltbearbeitung einer Aluminiumlegierung mit einem Flächenverminderungsgrad von 3 bis 60 % erhalten worden ist mit einem supraleitenden Draht oder einem verseilten supraleitenden Draht zusammengesetzt werden. Ein beliebiger Prozeß, wie beispielsweise Walzen, Ziehen, Ankümpeln oder ähnliches, kann für das Kaltbearbeiten oder das Ziehen herangezogen werden.
Ein anderes als die obigen Verfahren, nämlich ein beliebiges zusammengesetztes Verfahren, beispielsweise Löten oder mechanisches Verbinden können als Verfahren zum Zusammensetzen eines Aluminiumlegierungsteils, welches der Kaltbearbeitung unterworfen worden war, mit einem supraleitenden Draht oder einem verseilten supraleitenden Draht herangezogen werden. Beispielsweise wird ein in der Fig. 1A gezeigter aluminiumstabilisierter supraleitender Draht erhalten, indem ein Aluminiumstabilisierungsteil 12 mit einem supraleitenden Cu/NbTi-Mehrleiterdraht 11 mittels Lötens verbunden werden. Ein in der Fig. 1B gezeigter aluminiumstabilisierter supraleitender Draht wird erhalten, indem ein Aluminiumstabilisierungsteil 12 mit einem verseilten supraleitenden Cu/NbTi-Draht 13 mittels Löten verbunden wird, indem der zusammengesetzte Körper in ein Kupferstabilisierungsteil 14, welches einen im wesentlichen U-förmigen Querschnitt aufweist, gelegt und verlötet wird, und indem ein plattenförmiges Kupferstabilisierungsteil 15 an einer freiliegenden Oberfläche des Aluminiumstabilisierungsteils 12 mittels Lötens befestigt wird. Ein in der Fig. 1C gezeigter aluminiumstabilisierter supraleitender Draht wird erhalten, indem zwei Aluminiumstabilisierungsteile 17, von denen jedes eine halbkreisförmige Auskehlung aufweist, an einen verseilten supraleitenden Cu/NbTi-Draht 16, welcher einen Querschnitt mit kreisförmigem Querschnitt aufweist, angepaßt und mit diesem verlötet werden, und indem der gelötete zusammengesetzte Körper mit zwei Kupferstabilisierungsteilen 14, von denen jedes einen im wesentlichen U-förmigen Bereich aufweist, mittels Lötens überzogen wird. Ein in der Fig. 1D gezeigter aluminiumstabilisierter supraleitender Draht wird erhalten, indem ein supraleitender Cu/Nb&sub3;Sn-Draht 19, welcher mit einem Kupferstabilisierungsteil 18 überzogen ist, in eine Auskehlung eines Aluminiumstabilisierungsteils 20 eingepaßt und mit diesem verlötet wird. Ein in der Fig. 1E gezeigter aluminlumstabilisierter supraleitender Draht wird erhalten, indem zwei Aluminiumstabilisierungsteile 12, von denen jedes eine rechteckige Auskehlung hat, auf einen supraleitenden Cu/NbTi-Mehrleiterdraht in der Weise gelegt werden, daß der supraleitende Cu/NbTi-Draht 11 in die Auskehlungen paßt, und indem die gesamte Struktur gewalzt und kontaktverbunden wird.
Wenn ein supraleitender Draht oder ein verseilter supraleitender Draht mit der Aluminiumlegierung zusammengesetzt ist, kann er gemäß der vorliegenden Erfindung mit Kupfer oder einer Kupferlegierung statt mit der Aluminiumlegierung zusammengesetzt sein.
Bei der obigen Beschreibung ist der Flächenverminderungsgrad bei der Kaltbearbeitung, der mit dem getemperten Draht erreicht werden soll, aus folgendem Grund auf 3 bis 60 % begrenzt. Wenn die Flächenverminderungsgeschwindigkeit weniger als 3 % beträgt, kann ein 0,2 %-Dehngrenze von 40 N/mm² (4 kg/mm²) oder mehr nicht erreicht werden, und der aluminiumstabilisierte supraleitende Draht wird in einem hohen magnetischen Feld deformiert. Wenn der Flächenverminderungsgrad 60 % überschreitet, wird das Restwiderstandsverhältnis auf weniger als 250 vermindert, und die thermische Stabilität und die elektrische Stabilität des aluminiumstabilisierten supraleitenden Drahts werden verschlechtert.
Die vorliegende Erfindung wird detaillierter mittels ihrer Beispiele beschrieben.

Beispiel 1 (4 kg/mm² = 40 N/mm²)

1200 supraleitende Einleiterdrähte, von denen jeder erhalten worden ist, indem ein Nb-Ti-Legierungsdrahtteil in eine Kupfermatrix versenkt wird, wurden in ein Rohr aus sauerstofffreim Kupfer eingefüllt, welches einen außeren und einen inneren Durchmesser von 240 mm bzw. 200 mm hatte, um einen zusammengesetzten Knüppel zu bilden. Der zusammengesetzte Knüppel wurde einem heißen Extrudieren unterworfen, um ein zusammengesetztes extrudiertes Teil zu erzeugen. Das zusammengesetzte extrudierte Teil wurde gewalzt und pultrudiert, um ein supraleitendes Nb-Ti-Mehrleiterdrahtteil zu bilden, welches einen äußeren Durchmesser von 12 mm hat. Das supraleitende Nb-Ti-Mehrleiterdrahtteil wurde einem Drahtziehen und Altern unterworfen, um einen Strang mit einem Durchmesser von 3,2 mm zu erzeugen. Dieser Strang wurde mittels Heißextrudierens mit einer aus zwei Elementen bestehenden Aluminiumlegierung als Stabilisierungsteil überzogen, welche erhalten worden war, indem eine kleine Menge irgendeines aus Cu, Si, Ag, Zn und Ce ausgewählten Elements zum Aluminium zugefügt wurde, welches eine Reinheit von 99,9993 % hatte, um einen mit Aluminium überzogenen Stab mit einem äußeren Durchmesser von 25 mm zu erzeugen. Jeder der so erzeugten Stäbe wurde einem Walzen und einem Drahtziehen unterworfen, um ein gezogenes Drahtteil zu erzeugen, welches einen äußeren Durchmesser von 2,1 mm hatte. Das gezogene Drahtteil wurde bei 300ºC eine Stunde lang getempert, um die Aluminiumlegierung des Aluminiumstabilisierungsteils zu rekristallisieren, wodurch ein getempertes Draht teil erzeugt wurde, und wurde dann dem Drahtziehen unterworfen, um einen aluminiumstabilisierten supraleitenden Draht (Nr. 1 bis 15) zu erzeugen, welcher einen äußeren Durchmesser von 2,0 mm hat.
Die Anteile der Legierungselemente der zwei Elemente enthalteneden Aluminiumlegierung wurden mannigfaltig innerhalb eines Bereichs von 50 bis 300 ppm Cu, 50 bis 150 ppm Si, 50 bis 400 ppm Ag, 50 bis 1000 ppm Zn und 30 bis 2000 ppm Ce verändert.

Vergleichsbeispiel 1

Ein aluminiumstabilisierter supraleitender Draht (Nr. 16 bis 25) wurde erhalten, indem derselben Vorgehensweise wie in Beispiel 1 gefolgt wurde, mit der Ausnahme, daß die Anteile der Legierungselemente in der als Stabilisierungsteil dienenden, aus zwei Elementen bestehenden Aluminiumlegierung so gelegt wurden, daß sie außerhalb des Bereichs der vorliegenden Erfindung lagen, das heißt, der Ou-Anteil wurde auf weniger als 50 ppm oder mehr als 300 ppm, der Si-Anteil wurde auf weniger als 50 ppm oder mehr als 150 ppm, der Ag- Anteil wurde auf weniger als 50 ppm oder mehr als 400 ppm, der Zn-Anteil wurde auf weniger als 50 ppm oder mehr als 1000 ppm und der Ce-Anteil wurde auf weniger als 30 ppm oder mehr als 2000 ppm eingestellt.

Vergleichsbeispiel 2

Ein aluminiumstabilisierter supraleitender Draht (Nr. 26) wurde erhalten, indem derselben Vorgehensweise wie in Beispiel 1 gefolgt wurde, mit der Ausnahme, daß hochreines Aluminium mit einer Reinheit von 99,9993 % als Stabilisierungsteil verwendet wurde.
Ein kritischer Stromwert (im folgenden als Ic bezeichnet) ein Löschstrom und ein maximales magnetisches Feld als Magnetcharakteristik, eine 0,2 %-Dehngrenze bei 4,2 K und ein Restwiderstandsverhältnis wurden von jedem aluminiumstabilisierten supraleitenden Draht (Nr. 1 bis 26) geprüft, der in der oben beschriebenen Weise erhalten worden war. Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse. Es ist zu beachten, daß Ic durch einen Stromwert ausgedrückt wurde, welcher erhalten wurde, wenn ein erhaltener aluminiumstabilisierter supraleitender Draht zu einem kurzen Draht mit einer Lange von 1 m geformt wurde, dieser kurze Draht mit einem Strom in flüssigem Helium (4,2 K) in einem elektrischen Feld von 5 T beaufschlagt wurde und daß, indem der Strom allmählich erhöht wurde, der spezifische Widerstand 10&supmin;¹¹ Ω cm erreichte. Hinsichtlich des Löschstroms und des maximalen magnetischen Felds wurde ein Magnet hergestellt, indem der erhaltene aluminlumstabilisierte supraleitende Draht auf eine Spule gewickelt wurde, welche einen inneren und einen außeren Durchmesser von 20 mm bzw. 70 mm hatte. Der Löschstrom wurde ermittelt, indem der Strom des Magnets im unterbrochen-supraleitenden Zustand gemessen wurde, und das maximale magnetische Feld wurde mit dem Hall-Element gemessen. Es ist zu beachten, daß der Magnet so ausgelegt war, daß ein Magnetfeld von 8 T erzeugt wurde, wenn er bei 276 A betrieben wurde. Tabelle 1 Legierungs element (ppm) 0,2 %-Drehgrenze (kg/mm²) Restwiderstandsverhältnis Löschstrom (A) maxim. Megnetfeld (T) Probe der vorliegenden Erfindung Probe des Vergleichsbeispiels Reines
Wie sich hinsichtlich jedes aluminiumstabilisierten supraleitenden Drahts (Nr. 1 bis 15) gemäß vorliegender Erfindung aus Tabelle 1 ergibt, war seine magnetische Charakteristik beim maximal erzeugten magnetischen Feld, welches 8 T überschritt, gut, und sein Löschstrom hatte einen großen Wert von 270 A oder mehr, obwohl sein Ic gleich demjenigen der Vergleichsbeispiele (Nr. 16 bis 26) war.
Im Gegensatz dazu war in jeder der Proben der Vergleichsbeispiele 16, 18, 20, 22 und 24 der Gehalt des Legierungselements in jeder im Aluminiumstabilisierungsteil verwendeten Aluminiumlegierung klein, und in der Probe des vergleichsbeispiels Nr. 26 wurde hochreines Aluminium verwendet. Deshalb hatte jede dieser Proben eine niedrige mechanische Festigkeit. Als Folge hiervon wurden die Proben deformiert, wenn das erzeugte magnetische Feld des Magnets 6 bis 7 T war, und die durch die Deformation erzeugte Hitze verursachte ein Löschen, bevor ein vorher bestimmter Stromwert erreicht war. In den Vergleichsbeispielen Nr. 17, 19, 21, 23 und 25 wurde das Restwiderstandsverhältnis klein, da die Menge des Legierungselements in jeder im Aluminiumstabilisierungsteil verwendeten Aluminiumlegierung übermäßig groß war, und die thermische Stabilität und die elektrische Stabilität des Leiters wurde verschlechtert, und auf diese Weise verschlechterte sich die Magnetcharakteristik.

Beispiel 2

Zehn supraleitende Cu/Nb-Ti-Drähte (500 Nb-Ti-Leiter mit einer Durchmesser von 24 um; Cu/Nb-Ti-Verhältnis: 1), von denen jeder einen Durchmesser von 0,76 mm hatte, wurden umeinander geschlungen, um einen verseilten Draht zu bilden. Eine Al-Zn-Legierung wurde heiß extrudiert, um den verseilten Draht als Stabilisierungsteil zu umhüllen, wobei ein getempertes Drahtteil erzeugt wurde, welches eine Querschnittsgröße von 2,9 mm x 32 mm hatte. Jedes getemperte Drahtteil wurde durch einen Ziehtrichter kalt pultrudiert, wobei dieses Werkzeug einen halben Ziehwinkel von 3º hatte, um einen aluminiumstabilisierten supraleitenden Draht 23 (Nr. 27 bis 30, 34 und 35) zu bilden, der in Fig. 2 gezeigt ist, und in dem ein Aluminiumstabilisierungsteil 22 die äußere periphäre Oberfläche des verseilten supraleitenden Drahts 21 umhüllt. Eine Aluminiumlegierung wurde als die Al-Zn-Legierung verwendet, welche erhalten worden war, indem 200 ppm Zn zu hochreinem Aluminium mit einer Reinheit von 99,9996 % zugefügt wurde. Die Pultrudiergeschwindigkeit wurde mannigfaltig geändert.
Andererseits wurde eine Al-Zn-Legierung heiß extrudiert, um einen supraleitenden Cu/Nb-Ti-Draht (3000 Nb-Ti-Leiter mit einem Durchmesser von 15 um, Cu/Nb-Ti-Verhältnis: 1), der einen Durchmesser von 1,2 mm hatte, als Stabilisierungsteil zu umhüllen, um ein Extrusionsdrahtteil zu bilden, welches einen äußeren Durchmesser von 8 mm hatte. Jedes Extrusionsdrahtteil wurde zu Draht gezogen, um ein Drahtteil zu erzeugen, welches einen äußeren Durchmesser von 2,5 mm hatte. Dieses Drahtteil wurde bei 300ºC eine Stunde lang getempert, um ein getempertes Drahtteil zu erzeugen. Dieses aluminiumumhüllte Draht teil wurde einem kalten Drahtziehen unterworfen, um einen aluminiumstabilisierten supraleitenden Draht 33 (Nr. 31 bis 33, 36 und 37) zu erzeugen, wie er in Fig. 3 gezeigt ist, in welchem ein Aluminiumstabilisierungsteil 32 die äußere periphäre Oberfläche eines supraleitenden Drahts 31 umhüllt. Ein Aluminium, welches erhalten worden war, indem 800 ppm Zn zu hochreinem Aluminium mit einer Reinheit von 99,9996 % zugefügt worden war, wurde als Al-Zn-Legierung benutzt. Die Drahtziehgeschwindigkeit wurde mannigfaltig geändert.
Die 0,2 %-Dehngrenze bei 4,2 K und das Restwiderstandsverhältnis von jedem aluminiumstabilisierten supraleitenden Draht (Nr. 27 bis 37) wurden geprüft, welche in der oben genannten Weise erhalten worden waren. Tabelle 2 zeigt die Ergebnisse. Tabelle 2 aluminiumstabilisierter supraleitender Draht Aluminiumstabilisierungsteil Abmessung Dicke x Länge oder äußerer Durchmesser (mm) Flächenverminderungsgrad (%) Legierungselement (ppm) 0,2 %-Dehngrenze (kg/mm²) Restwiderstandsverhältnis Probe der vorliegenden Erfindung Probe des Vergl.-beisp.
Wie aus Tabelle 2 ersichtlich ist, hatten in den aluminiumstabilisierten supraleitenden Drahten (Nr. 27 bis 33) gemäß der vorliegenden Erfindung die Aluminiumstabilisierungsteile die 0,2 %-Dehngrenze von 4 kg/mm² oder mehr bei einer sehr niedrigen Temperatur und ein Restwiderstandsverhältnis von 250 oder mehr. Wurde ein Magnet unter Verwendung eines aluminiumstabilisierten supraleitenden Drahts zusammengebaut, so wurde bestätigt, daß ein vorgegebenes Magnetfeld erhalten wurde.
Im Gegensatz dazu war, da der Flächenverminderungsgrad jedes Aluminiumstabilisierungsteils außerordentlich klein war, in den Vergleichsbeispielen 34 und 36 die 0,2 %-Dehngrenze, und auf diese Weise die gesamte Festigkeit, verschlechtert. Bei den Vergleichsbeispielen 35 und 37 verschlechterte sich, da die Flächenverminderungsgeschwindigkeit jedes Aluminiumstabilisierungsteils übermäßig groß war, das Restwiderstandsverhältnis, und auf diese Weise verschlechterten sich die thermische Stabilität und die elektrische Stabilität. Deshalb war jedes dieser Produkte als Leiter eines Magnets ungeeignet.

Beispiel 3

Ein Aluminiumstabilisierungsteil mit einer Querschnittsgröße von 2 x 8 mm wurde auf einen supraleitenden Cu/NbTi-Mehrleiterdraht (Cu-Verhältnis: 1) mit einer Querschnittsgröße von 1 x 2 mm gelötet, welcher erhalten worden war, indem 1200 NbTi-Fäden mit einem jeweiligen Durchmesser von 20 um in eine Cu-Matrix versenkt worden waren, wobei jeder gebildete aluminiumstabilisierte supraleitende Draht (Nr. 38 bis 82) eine Form hatte, wie sie in Fig. 1A gezeigt ist. Als das Aluminiumstabilisierungsteil dieses aluminiumstabilisierten supraleitenden Drahts wurde ein Aluminiumlegierungsteil verwendet, welches unter mannigfaltigem Ändern der Prozeßgeschwindigkeit durch Kaltbearbeitung einer Aluminiumlegierung erhalten worden war, welche eine kleine Menge von mindestens einem Legierungselement enthielt, welches ausgewählt war aus Zn, Cu, Si und Ag. Zum Vergleich wurde auch ein hochreines Aluminiumteil mit einer Reinheit von 99,999 % verwendet.
Die 0,2 %-Dehngrenze bei 4,2 K, das Restwiderstandsverhältnis und das maximale magnetische Feld, welches im Magnet jedes aluminiumstabilisierten supraleitenden Drahts erzeugt wurde, der in der oben angegebenen Weise hergestellt worden war, wurden in derselben Weise wie in Beispiel 1 geprüft. Tabelle 3 zeigt die Ergebnisse. Tabelle 3 Legierungs element (ppm) Flächenverminderungsgrad (%) 0,2 %-Drehgrenze (kg/mm²) Restwiderstandsverhältnis maximales Megnetfeld (T) Probe der vorliegenden Erfindung (Fortsetzung) Tabelle 3 (Fortsetzung) Legierungs element (ppm) Flächenverminderungsgrad (%) 0,2 %-Drehgrenze (kg/mm²) Restwiderstandsverhältnis maximales Megnetfeld (T) Probe der vorliegenden Erfindung Probe des Vergleichsbeispiels reines
Wie sich aus der Tabelle 3 ergibt, überschritt das maximale magnetische Feld in jedem der aluminiumstabilisierten supraleitenden Drähte (Nr. 38 bis 65) gemäß der vorliegenden Erfindung einen Sollwert von 8 T.
Im Gegensatz dazu war in jedem der Vergleichsbeispiele Nr. 66, 70, 74 und 78 der Flächenverminderungsgrad klein, war in jedem der Vergleichsbeispiele Nr. 68, 72, 76 und 80 der Legierungselementgehalt des im Aluminiumstabilisierungsteil verwendeten Aluminiumlegierungsteils klein, und in Vergleichsbeispiel 82 wurde hochreines Aluminium verwendet. Deshalb war die mechanische Festigkeit niedrig, und, sofern die erhaltene Probe in einem Magnet verwendet wurde, wurde der Magnet deformiert, wenn das erzeugte Magnetfeld 6 bis 7 T war. Ein Löschen erfolgte durch die bei dieser Deformation erzeugte Wärme, bevor ein vorher festgelegter Stromwert erreicht war. In jedem der Vergleichsbeispiele Nr. 67, 71, 75 und 79 war der Flächenverminderungsgrad übermäßig groß, und in jedem der Vergleichsbeispiele Nr. 69, 73, 77 und 81 war der Legierungselementgehalt in dem im Aluminiumstabilisierungsteil verwendeten Aluminiumlegierungsteil übermäßig groß. Deshalb war das Restwiderstandsverhältnis in jeder dieser Proben klein, die thermische Stabilität und die elektrische Stabilität des Leiters wurden verschlechtert, so daß Löschung auftrat, und die Magnetcharakteristik wurde verschlechtert.

Beispiel 4

Aluminium-stabilisierte supraleitende Drähte (Nr. 83 bis 100) wurden erhalten, indem derselben Vorgehensweise wie in Beispiel 1 gefolgt wurde, außer daß die Legierungselementanteile in den als Aluminiumstabilisierungsteilen benutzten Aluminiumlegierungsteilen festgelegt wurden, wie es in Tabelle 4 gezeigt ist, ein Erhitzungsprozeß bei 130ºC x 15 Stunden zugefügt und der Flächenverminderungsgrad auf 15 % festgelegt wurde.
Die 0,2 %-Dehngrenze bei 4,2 K, das Restwiderstandsverhältnis und das maximale magnetische Feld, welches im Magnet jedes aluminiumstabilisierten supraleitenden Drahts erzeugt wurde, welcher in der obigen Art hergestellt worden war, wurde geprüft, wobei derselben Vorgehensweise gefolgt wurde, wie in Beispiel 1. Tabelle 4 zeigt die Ergebnisse. Tabelle 4 Legierungs element (ppm) 0,2 %-Drehgrenze (kg/mm²) Restwiderstandsverhältnis maximales Megnetfeld (T) Probe der vorliegenden Erfindung (Fortsetzung) Tabelle 4 (Fortsetzung) Legierungs element (ppm) 0,2 %-Drehgrenze (kg/mm²) Restwiderstandsverhältnis maximales Megnetfeld (T) Probe der Vergleichsbeispiele (Fortsetzung)
Wie sich aus der Tabelle 4 ergibt, überschritt das maximale magnetische Feld in jedem der aluminiumstabilisierten supraleitenden Drahte (Nr. 83 bis 92) gemäß der vorliegenden Erfindung einen Sollwert von 8 T.
Im Gegensatz hierzu war bei jedem der Vergleichsbeispiele Nr. 93, 95, 97 und 99 die mechanische Festigkeit niedrig, da der Legierungselementanteil des im Aluminiumstabilisierungsteil verwendeten Aluminiumteils gering war. Wenn solch eine Probe in einem Magnet verwendet wurde, wurde der Magnet deformiert, wenn das erzeugte Magnetfeld 6 bis 7 T war, und die durch diese Deformation erzeugte Warme verursachte eine Löschung, bevor ein vorher festgelegter Stromwert erreicht war. In jedem der Vergleichsbeispiele Nr. 94, 96, 98 und 100 war das Restwiderstandsverhältnis klein, da der Legierungselementanteil der im Aluminiumstabilisierungsteil verwendeten Aluminiumlegierung groß war, und die thermische Stabilitat und die elektrische Stabilitat des Leiters wurden verschlechtert, so daß Löschen verursacht wurde, wodurch sich die Magnetcharakteristik verschlechterte.
Wie oben beschrieben worden ist, ist in jedem aluminiumstabilisierten supraleitenden Draht gemäß der vorliegenden Erfindung das Aluminiumstabilisierungsteil ausgezeichnet bezüglich seiner mechanischen Festigkeit, seiner thermischen Stabilitat und seiner elektrischen Stabilitat. Wird deshalb der aluminiumstabilisierte supraleitende Draht als Leiter für einen Magnet verwendet, wird der Magnet durch die elektromagnetische Kraft nicht deformiert werden, und ein starkes Magnetfeld kann erzielt werden. Dieses Aluminiumstabilisierungsteil kann leicht hergestellt werden, indem eine Aluminiumlegierung, welche einen kleinen Anteil eines Legierungselements, wie beispielsweise Zn, Si, Ag, Cu oder Ce enthalt, einer vorher festgelegten Kaltbearbeitung unterworfen wird.

Claims

1. Ein aluminiumstabilisierter supraleitender Draht beinhaltend:

- ein supraleitendes Drahtteil bestehend aus einem supraleitenden Faden, welcher in eine Kupfermatrix versenkt ist, und

- einem Aluminiumstabilisierungsteil, welches eine äußere Oberfläche des genannten supraleitenden Drahts umhüllt, wobei

- das genannte Aluminiumstabilisierungsteil zusammengesetzt ist aus einer Aluminiumlegierung, welche eine 0,2 %-Dehngrenze von nicht weniger als 40 N/mm² (4 kg/mm²) bei einer sehr niedrigen Temperatur und ein Restwiderstandsverhältnis von nicht weniger als 250 hat.

2. Ein supraleitender Draht gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte supraleitende Draht ein verseilter supraleitender Draht ist, welcher erhalten worden ist, indem eine Vielzahl von resultierenden supraleitenden Drahten umeinander geschlungen wird.

3. Ein supraleitender Draht gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminiumlegierung mindestens ein Element enthält, welches ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus 50 bis 1000 ppm Zn, 50 bis 150 ppm Si, 50 bis 400 ppm Ag, 50 bis 300 ppm Cu und 30 bis 2000 ppm te, und ter Rest von Al und einer unvermeidlichen Verunreinigung gebildet wird.

4. Ein supraleitender Draht gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminiumlegierung mindestens ein Element enthalt, welches ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus 50 bis 1000 ppm Zn und 50 bis 400 ppm Ag; ein Element ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus 10 bis 50 ppm Si, 10 bis 50 ppm Cu und 10 bis 50 ppm Si + Cu; und der Rest von Aluminium und einer unvermeidlichen Verunreinigung gebildet wird.

5. Ein supraleitender Draht gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Aluminiumstabilisierungsteil erhalten wird, indem die Aluminiumlegierung einer Kaltbearbeitung mit einem Flächenreduzierungsgrad von 3 bis 60 % unterworfen wird.

6. Ein supraleitender Draht gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Aluminiumstabilisierungsteil mittels eines Lötmitteis auf die äußere periphare Oberfläche des genannten supraleitenden Drahtteils aufgebracht ist.