DE69403362T2

DE69403362T2 - Draht für Nb3X Supraleiterdraht

Info

Publication number: DE69403362T2
Application number: DE69403362T
Authority: DE
Inventors: Naoki Ayai; Yuichi Yamada
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1993-02-22
Filing date: 1994-02-21
Publication date: 1997-09-18
Anticipated expiration: 2014-02-22
Also published as: DE69403362D1; FI940818A; JPH06251645A; RU2105370C1; ATE153799T1; EP0613192A1; FI940818A0; US5554448A; EP0613192B1

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Drahtkörper für einen supraleitenden Nb&sub3;X-Draht und im einzelnen betrifft sie einen supraleitenden Nb&sub3;X-Draht, der als Supraleitermaterial in starken Magnetfeldern, beispielsweise als Supraleitermagnet für einen nuklearen Fusionsreaktor oder dergleichen verwendet wird.

Beschreibung des technischen Hintergrundes

Im allgemeinen erwartet man als Supraleitermaterial ein Nb&sub3;X-Supraleitermaterial, wie beispielsweise Nb&sub3;Al, Nb&sub3;Sn oder Nb&sub3;Ge, da dies für die Verwendung in starkem Magnetfeld geeignet ist, was von einem supraleitenden Legierungsmaterial, wie NbTi nicht erreicht wird. Insbesondere verspricht ein Nb&sub3;Al-Supraleitermaterial ein brauchbares Supraleitermaterial für einen nuklearen Fusionsreaktor zu sein, welcher hohe magnetische Kräfte in einem starken Magnetfeld aufnimmt, oder ein Supraleitermaterial für die Leistungsspeicherung zu sein, was auf einem hohen kritischen Strom und einem ausgezeichneten Beanspruchungs-Spannungs-Effekt in einem starken Magnetfeld beruht.
Im allgemeinen ist es schwierig, ein supraleitendes Nb&sub3;X-Material plastisch zu verformen, wobei dieses Material extrem hart und brüchig im Vergleich zu einem supraleitenden Legierungsmaterial wie NbTi ist. Demgemäß hat man allgemein vielerlei Untersuchungen an einem Verfahren zur Bereitung von supraleitendem Nb&sub3;X-Material gemacht.
Fig. 10 ist ein binäres Legierungs-Phasendiagramm von Nb-Al.
Es sei auf Fig. 10 Bezug genommen. Nb&sub3;Al existiert stabil bei einer hohen Teinperatur von mindestens 1600ºC mit einem stöchiometrischen Zusammensetzungsverhältnis von Nb zu Al von 3:1. Bei einer niedrigen Temperatur von weniger als 1600ºC wird jedoch Nb&sub3;Al in Mischung mit Nb&sub2;Al gebildet, welches ein nicht-supraleitendes Material ist. Aus diesem Grunde hat ein supraleitendes Material mit der Verbindung Nb&sub3;Al, das bei einer tiefen Temperatur von wengier als 1600ºC erzeugt worden ist, im allgemeinen eine niedrige kritische Temperatur, ein niedriges kritisches Magnetfeld (Hc) und eine niedrige kritische Stromdichte (Jc). So wurde kein Verfahren zur Herstellung von supraleitendem Nb&sub3;Al-Material in die Praxis umgesetzt, obwohl ein Abschreckverfahren zur Abkühlung des Materials von einer hohen Temperatur von mindestens 1600ºC in kurzer Zeit oder dergleichen untersucht worden ist.
Man hat aber in letzter Zeit erkannt, daß ausgezeichnetes Nb&sub3;Al in einem Bereich gebildet wird, der eine kurze Diffusionslänge von Al-Atomen in einer Nb-Schicht hat und/oder einen Bereich, der eine kurze Diffusionslänge von Nb-Atomen in einer Al-Schicht hat, selbst wenn die Temperatur nicht mehr als 1000ºC beträgt. Mit dieser Zielrichtung hat man Herstellungsverfahren entwickelt, beispielsweise eine Pulvermetallurgie (PM), eine zusammengesetzte Verformung, wie etwa ein Rohrverfahren und ein Extrudieren eines umkleideten Chip, und ein Verfahren mit einem Wickel. Jede dieser Methoden ist so ausgebildet, daß reines Nb oder eine Nb-Legierung mit reinem Al oder einer Al-Legierung in extrem feinem Zustand gemischt wird und jedes Verfahren kann den zuvor erwähnten Bereich mit einer kurzen Diffusionslänge vergrößern. Gemäß einem solchen Verfahren ist es daher möglich, Nb&sub3;Al-Supraleitermaterial hoher Güte mit einem stöchiometrischen Zusammensetzungsverhältnis von Nb zu Al zu erhalten, das nahe bei 3:1 liegt und dies bei hoher kritischer Temperatur, hohem kritischen Magnetfeld (Hc) und hoher kritischer Stromdichte (Jc).
Unter den zuvor erwähnten Herstellungsverfahren kann mit dem Wickelverfahren in vorteilhafter Weise ein supraleitender Draht erzeugt werden, der eine vieladrige Struktur hat; es kann ein Stabilisierungsmaterial beigefügt werden; und es kann leicht ein langgestrecktes Material erzeugt werden. Somit ist dies das am besten praktizierbare Verfahren zur Erzeugung eines supraleitenden Nb&sub3;Al-Drahtes.
Das Wickelverfahren wird nun unter Bezugnahme auf Fig. 11 beschrieben.
Fig. 11 ist ein Produktionsflußdiagramm, welches ein Verfahren zur Herstellung eines vieladrigen, supraleitenden Nb&sub3;Al-Drahtes nach der Wickelmethode zeigt.
Betrachtet man Fig. 11, so erkennt man, daß ein hochreines Nb-Blech und ein hochreines Al-Blech zunächst durch Erschmelzen und Walzen hergestellt werden. Dann werden das Nb-Blech und das Al-Blech aufeinander gelegt und auf einen sauerstofffreien Kupferstab aufgewickelt, um einen Kern (den Wickel oder die Roulade) zu erzeugen. Dieses Drahtgebilde wird dann in eine sauerstofffreie Kupferröhre eingesetzt und zu einer sechseckförmigen Querschnittsform gezogen und danach in die gewünschten Längenstücke geschnitten, um einen sechseckigen Abschnitt 150 zu bilden. Dann wird eine Mehrzahl solcher sechseckiger Segmente 150 in ein Kupferrohr gefüllt, um einen Knüppel zu bereiten, der wiederum in Vakuum durch Elektronenstrahlschweißung geschlossen wird und dann einem Extrudiervorgang unterzogen wird. Der so gebildete vieladrige Draht wird dann gezogen und gedreht, nach Wunsch geformt, verseilt und isoliert, aufgewicktelt und danach wärmebehandelt, um eine supraleitende Phase (A15-Struktur von Nb&sub3;Al) zu bilden. Das vorerwähnte Wickelverfahren ist mehr im einzelnen in der Veröffentlichung Sumitomo Denki, Nr. 139, September 1991, Seiten 93-100, beschrieben. Um Nb&sub3;X mit ausgezeichneten Supraleitungseigenschaften durch ein solches Wickelverfahren zu bilden, ist es notwendig, den Grad der Verformung, etwa durch Ziehen, maximal zu gestalten, um die Querschnittsfläche zu verringern und das erste und das zweite Blech in ihrer Dicke zu vermindern, damit die Größe des vorerwähnten Bereichs mit einer kurzen Diffusionslänge vergrößert wird.
Ein supraleitender Nb&sub3;X-Draht, der durch das Wickelverfahren erzeugt ist, enthält also einen Drahtkörper, der durch Übereinanderlegen und Aufwickeln eines ersten Bleches, das aus Nb oder einer Nb-Legierung besteht, und eines zweiten Bleches, das aus Metallatomen X besteht, welche mit Nb reagieren, um eine supraleitende Verbindung zu bilden, oder einer X-Legierung besteht, sowie einer Stabilisierungsmaterialschicht gebildet ist, welche in solcher Weise vorgesehen ist, daß sie den Draht umschließt. Das erste und das zweite Blech sind so bearbeitet, daß sie jeweils extrem geringe Dicke haben. Das Stabilisierungsmaterial ist beispielsweise aus Kupfer oder einer Kupferlegierung hergestellt.
Wenn aber ein derartiger supraleitender Nb&sub3;X-Draht, der durch das Wickelverfahren erzeugt worden ist, wärmebehandelt wird, um Nb&sub3;X zu bilden, so diffundieren die Metallatome X thermisch als Verunreinigungen in das Kupfer oder die Kupferlegierung, welche als das Stabilisierungsmaterial verwendet wird, und reagieren mit den Kupfenatomen zur Bildung einer Verbindung. So wird ein Restwiderstandsverhältnis des supraleitenden Nb&sub3;X-Drahtes in nachteiliger Weise verschlechtert.
Um das vorerwähnte Problem zu lösen wurde ein Drahtkörper für einen supraleitenden Nb&sub3;X-Draht vorgeschlagen, der eine Diffusionssperrschicht aufweist, die zwischen einer Außenoberfläche eines durch Übereinanderlegen und Aufwikkeln erster und zweiter Bleche gebildeten Drahtes und einer Innenfläche einer Stabilisierungsmaterialschicht vorgesehen ist, um die Metallatome X daran zu hindern, in das Stabilisierungsmaterial hinein zu diffundieren (siehe beispielsweise JP-A-4-132108). In einem solchen Drahtkörper für einen supraleitenden Draht ist die Diffusionssperrschicht im allgemeinen durch das erste Blech gegeben, das aus reinem Nb oder aus einer Nb-Legierung besteht. Das erste Blech wird nämlich aus einem Blechstück hergestellt, das länger ist als das zweite Blech in der Aufwickelrichtung, so daß es auf das zweite Blech gelegt und mit diesem aufgewickelt wird, um einen laminierten Bereich zu bilden, wobei der übrigbleibende Teil des ersten Bleches weiter auf die Außenfläche des laminierten Teiles gewickelt wird, um die Diffusionssperrschicht zu bilden.
Wenn ein durch Aufeinanderlegen und Aufwickeln des ersten und zweiten Blechs gebildeter Kern zur Verminderung der Querschnittsfläche verformt wird, wird jedoch die Diffusionssperrschicht auch in der Dicke vermindert, so daß diese nicht in genügendem Maße ihre Aufgabe nach der querschnittsmindernden Bearbeitung erfüllen kann. Die Dicke der Diffusionssperrschicht hängt von Faktoren wie der Wärmebehandlungssituation und dem Diffusionskoeffizienten des Materials hierfür ab, während man es aber als zweckmäßig erachtet hat, daß ihre Dicke mindestens 1 µm nach der querschnittsvermindernden Bearbeitung ist. Wenn die Diffusionssperrschicht jedoch in der Dicke zunimmt, wird die Querschnittsfläche des supraleitenden Nb&sub3;X-Drahtes je Querschnittsfläche des nicht-kupferhaltigen Teiles relativ vermindert, so daß in nachteiliger Weise die kritische Stromdichte (Jc) vermindert wird.

Zusammenfassung der Erfindung

Ein Zweck der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Drahtkörpers für einen supraleitenden Draht zur Erzeugung eines hervorragenden Nb&sub3;X-Supraleiterdrahtes mit höherer kritischer Stromdichte (Jc) und einem größeren Restwiderstandsverhältnis eines Stabilisierungsmaterials im Vergleich zu einem herkömmlichen Nb&sub3;X-Supraleiterdrahtes ohne besondere Erhöhung der Dicke einer Diffusionssperrschicht.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Drahtkörper für einen supraleitenden Nb&sub3;X-Draht, der folgendes enthält:
ein Drahtteil, welches in der Weise erzeugt wird, daß ein erstes Blech, das aus reinem Nb oder einer Nb-Legierung besteht, und ein zweites Blech, das aus Atomen des Metalls X oder einer Legierung des Metalls X besteht, übereinandergelegt und aufgewickelt werden, wobei die Atome des Metalls X mit dem genannten Nb zur Bildung einer Supraleitfähigkeit zeigenden Verbindung reagieren;
eine Stabilisierungsmaterialschicht, welche so vorgesehen ist, daß sie das Drahtteil umschließt; und
eine Diffusionssperrschicht, welche zwischen einer Außenfläche des genannten Drahtteils und einer Innenfläche der genannten Stabilisierungsmaterialschicht vorgesehen ist, um die Atome des Metalls X daran zu hindern, in die genannte Stabilisierungsmaterialschicht hineindiffundiert zu werden,
dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Diffusionssperrschicht aus metallischem Material hergestellt ist, das eine höhere Zugfestigkeit als diejenige des genannten ersten Blechs hat.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Anzahl von Drahtkörpern, wie sie eben definiert wurden, in eine Matrix als Drahtadern eingebettet, um einen vieladrigen, supraleitenden Nb&sub3;X-Draht zu erhalten.
Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform des Drahtkörpers nach der Erfindung hat die Trennfläche zwischen dem ersten Blech und dem zweiten Blech in solcher Weise dichten Zick-Zack-Verlauf, daß die zwischenliegende Kontaktfläche vergrößert ist.
Vorzugsweise ist das Metallmaterial aus einer Nb-Legierung bereitet, welche so zusammengesetzt ist, daß es eine höhere Zugfestigkeit hat als diejenige des ersten Bleches.
Bevorzugtermaßen ist die Nb-Legierung eine Legierung, welche aus NbZr, NbTi und NbHf ausgewählt ist.
Vorzugsweise enthält diese Legierung 0,02 bis 5 Gew.% von Zr, Ti oder Hf im singulären Zustand oder im zusammengesetzten Zustand.
Die Metallatome X sind vorzugsweise ein Metall, das aus Al, Sn und Ge ausgewählt ist.
In dem erfindungsgemäßen Drahtkörper für einen supraleitenden Nb&sub3;X-Draht ist die Diffusionssperrschicht aus einem metallischen Material gebildet, das eine größere Zugfestigkeit hat als diejenige des ersten Bleches, das aus reinem Nb oder aus einer Nb-Legierung besteht.
Das erste Blech, das aus reinem Nb oder einer Nb-Legierung besteht, hat selbst einen kleinen Verformungswiderstand, während seine Zugfestigkeit so gering ist, daß es leicht aufgrund extrem kleiner, unvermeidlich darin enthaltener Lochstellen während der Bearbeitung, etwa durch Ziehen zur Querschnittsflächenverminderung, leicht absplittert oder sich abschält. Bei der Herstellung eines herkömmlichen Drahtes für einen supraleitenden Nb&sub3;X-Draht wird daher ein Kern, der durch Aufeinanderlegen und Aufwickeln eines ersten und zweiten Bleches hergestellt wird, während der Bearbeitung zur Querschnittsflächenverminderung ungleichförmig deformiert oder gebrochen.
Andererseits ist gemäß der vorliegenden Erfindung die Diffusionssperrschicht aus einem metallischen Material gebildet, das eine höhere Zugfestigkeit hat als das erste Blech, wodurch die Verformbarkeit des Kerns verbessert wird, so daß er während der Bearbeitung zur Verringerung der Querschnittsfläche kaum einen Bruch verursacht. So ist es möglich, zur Verminderung ihrer Dicke das erste Blech bzw. das zweite Blech zu verformen und daher den Anteil zu vergrößern, der eine kurze Diffusionslänge hat. Folglich ist es möglich, die Reaktion zur Bildung einer Verbindung in einem Wärmebehandlungsschritt zur Erzeugung von Nb&sub3;X zu erleichtern, welches Nb und X in einem stöchiometrischen Zusammensetzungsverhältnis von 3:1 enthält.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es somit möglich, einen Drahtkörper für einen supraleitenden Nb&sub3;X-Draht vorzusehen, welcher eine hohe kritische Stromdichte ohne eine Verminderung der kritischen Stromdichte in einem ersichtlich nicht Kupfer enthaltenden Teil zu schaffen, ohne daß besonders die Diffusionssperrschicht in ihrer Dicke vergrößert wird, indem die Metallatome X daran gehindert werden, daß sie thermisch in die Stabilisierungsmaterialschicht hineindiffundiert werden.
Das Metallmaterial für die Diffusionssperrschicht wird aus einer Nb-Legierung bereitet, welche so zusammengesetzt ist, daß sie eine höhere Zugfestigkeit hat als das erste Blech, so daß die Diffusionssperrschicht eine gleichförmige Dicke in jedem Bereich längs der Umfangsrichtung des Kernes hat.
Demzufolge ist es möglich, die Verunreinigung der Stabilisierungsmaterialschicht zu vermindern, welche durch die Metallatome X in einem Wärmebehandlungsschritt zur Bildung Nb&sub3;X verursacht wird, so daß man einen supraleitenden Nb&sub3;X- Draht erhält, der ein hohes Restwiderstandsverhältnis des Stabilisierungsmaterials aufweist.
Weiter ist die Trennfläche zwischen dem ersten und dem zweiten Blech mit einem dichten Zick-Zack-Verlauf versehen, um die Kontaktfläche dazwischen zu vergrößern, so daß der vorerwähnte Bereich mit der kurzen Diffusionslänge vergrößert wird. Die Diffusionseigenschaft der Metallatome X und der Nb-Atome ist daher verbessert, so daß die Menge von Nb&sub3;X, das durch die Wärmebehandlung je Zeiteinheit gebildet wird, im Vergleich zum Stande der Technik erhöht ist. Somit ist es möglich, einen supraleitenden Nb3X-Draht zu erhalten, der eine höhere kritische Stromdichte (Jc) im Vergleich zum Stande der Technik hat.
Die Nb-Legierung, welche so zusammengesetzt ist, daß sie höhere Zugfestigkeit hat als das erste Blech, kann beispielsweise aus NbZr, NbTi oder NbHf hergestellt sein. Zr, Ti und Hf sind Werkstoffe, welche den sog. Abschäleffekt (orange peel effect) beim Bearbeiten, beispielsweise beim Ziehen zur Verminderung der Querschnittsfläche des Nb selbst verhindern.
Unter dem oben genannten Legierungen sind insbesondere NbZr oder NbTi zu bevorzugen. Zr diffundiert nicht in eine Kupferschicht hinein, während Ti die Kupferschicht nicht verunreinigt, obwohl es eine Verbindung mit Kupfer eingeht. Diese beiden Elemente bilden gleichförmige Legierungen mit Nb. Weiter sind diese Legierungen im Handel erhältlich und kostengünstig.
Ferner enthält die Legierung vorzugsweise 0,02 bis 5 Gew.% von Zr, Ti oder Hf im singulären Zustand oder zusammengesetzten Zustand. Die Legierung muß mindestens 0,02 Gew.% eines solchen Elementes enthalten, um einen Effekt bezüglich des Verhinderns der Abschälerscheinung zu erzielen. Wenn der Gehalt des Elementes 5 Gew.% übersteigt, wird jedoch die Bearbeitbarkeit zur Querschnittsverminderung der Diffusionssperrschicht selbst in unvorteilhafter Weise vermindert.
Der erfindungsgemäße Drahtkörper für einen supraleitenden Nb&sub3;X-Draht mit dem vorbeschriebenen Aufbau ist in der Verarbeitbarkeit bezüglich der Herabsetzung einer ungleichförmigen Deformation und des Brechens merklich verbessert, das bei der Verarbeitung zur Verminderung seiner Querschnittsfläche auftreten kann. Selbst wenn der Draht bezüglich der Verformbarkeit solchermaßen merklich verbessert ist, wird die Diffusionssperrschicht in ausreichender Unversehrtheit aufrechterhalten. Es ist daher möglich, durch Wärmebehandlung des erfindungsgemäßen Drahtes für die Bildung eines supraleitenden Nb&sub3;X-Drahtes einen solchen supraleitenden Nb&sub3;X-Draht hoher Qualität mit einer hohen kritischen Stromdichte und einem großen Restwiderstandsverhältnis eines Stabilisierungsmaterials zu erhalten.
Vorstehende und weitere Ziele, Merkmale und Aspekte sowie Vorteile der vorliegenden Erfindung werden noch deutlicher durch die folgende detaillierte Beschreibung der Erfindung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht, die schematisch einen ersten Schritt bei der Herstellung eines Nb&sub3;Al- Supraleiterdrahtes gemäß einem Beispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht, welche schematisch einen Draht zeigt, der bei dem Schritt gemäß Fig. 1 gebildet worden ist.
Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht, die schematisch einen zweiten Schritt bei der Herstellung eines supraleitenden Nb&sub3;Al-Drahtes gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
Fig. 4 ist eine perspektivische Ansicht, die schematisch einen dritten Schritt bei der Herstellung eines supraleitenden Nb&sub3;Al-Drahtes gemäß dem Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung verdeutlicht.
Fig. 5 ist eine perspektivische Ansicht, die schematisch einen vierten Schritt bei der Herstellung eines supraleitenden Nb&sub3;Al-Drahtes gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt.
Fig. 6 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch einen Draht für einen vieladrigen supraleitenden Nb&sub3;Al- Draht nach dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
Fig. 7 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht, die schematisch den Draht gemäß Fig. 6 wiedergibt.
Fig. 8 ist eine perspektivische Ansicht, die schematisch einen Schritt bei der Herstellung eines supraleitenden Nb&sub3;Al-Drahtes gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt.
Fig. 9 ist eine Schnittansicht, die schematisch einen Draht für einen vieladrigen supraleitenden Nb&sub3;Al-Draht gemäß einem Vergleichsbeispiel vergrößert zeigt.
Fig. 10 ist ein binäres Legierungs-Phasendiagramm von Nb-Al.
Fig. 11 ist ein Verfahrens-Flußdiagramm, das schematisch ein herkömmliches Verfahren zur Herstellung eines vieladrigen supraleitenden Nb&sub3;Al-Drahtes nach einer Wickelmethode verdeutlicht.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

(Beispiel 1)

Die Fig. 1 bis 7 sind Darstellungen zur Beschreibung eines Verfahrens für die Herstellung eines vieladrigen supraleitenden Nb&sub3;Al-Drahtes gemäß dem Beispiel 1 der vorliegenden Erfindung.
Es sei auf Fig. 1 Bezug genommen. Ein Nb-Blech 1, das aus Nb-Folie (99,8 Gew.% Reinheit) in einer Dicke von 0,18 mm, 300 mm Breite und 600 mm Länge besteht, wurde erst durch Erschmelzen und Walzen erzeugt. Dieses Nb-Blech 1 wurde für etwa zwei Stunden auf einer Temperatur von 800ºC gehalten. Die Tabelle 1 zeigt mechanische Eigenschaften des in dieser Weise bereitgestellten Nb-Bleches nach der Wärmebehandlung. TABELLE 1
Dann wurde ein Aluminiumblech 2, das aus einer Aluminiumfolie von 0,05 mm Dicke, 300 mm Breite und 500 mm Länge bestand, auf die Oberfläche des wärmebehandelten Nb-Bleches 1 aufgelegt. Zu dieser Zeit war ein Endabschnitt 1a des Nb- Bleches 1 nicht von dem Aluminiumblech 2 überdeckt.
Hierauf wurden die Bleche 1 und 2 auf einen Kupferstab 3 hoher Reinheit mit 3 mm Durchmesser und 400 mm Länge vom Endabschnitt 1a des Nb-Bleches her aufgewickelt. Dies bedeutet, daß der Endabschnitt 1a des Nb-Bleches 1 zuerst mit vier Windungen auf den Kupferstab 3 aufgewickelt wurde und darauf dann die darüberliegenden Teile der Nb- und Al-Bleche 1 und 2 aufgewickelt wurden. Sodann wurde ein Nb-1Gew.% Zr-Blech 5 von 0,18 mm Dicke, 300 mm Breite und 200 mm Länge darauf weiter aufgewickelt, um einen Kern 6 (siehe Fig. 2) zu erzeugen. Tabelle 1 zeigt auch die Eigenschaften des hier verwendeten Nb-1Gew.% Zr-Bleches 5. Hierauf wurden überschüssige Teile des Kupferstabes 3 von beiden Enden und insgesamt 100 mm abgetrennt.
Fig. 2 ist eine schematische Schnittansicht, welche den so gebildeten Kern 6 darstellt.
Bezugnehmend auf Fig. 2 erkennt man, daß dieser Kern 6 aus einer ersten Diffusionssperrschicht 7, welche um den zentrisch angeordneten Kupferstab 3 herum gebildet ist, einem laminierten Abschnitt 4, der um die erste Diffusionssperrschicht 7 herum gebildet ist, und einer zweiten Diffusionssperrschicht 8 aufgebaut wurde, welche um den laminierten Teil 4 herum gebildet ist. Die erste Diffusionssperrschicht 7 war durch die Endabschnitte 1a des Nb-Bleches 1 erzeugt worden, welche in vier Windungen aufgewickelt worden war. In dem laminierten Teil 4 wurden andererseits die Nb- und Al-Bleche 1 und 2 einander abwechselnd aufgewickelt. Weiter wurde die zweite Diffusionssperrschicht 8 durch das Nb-1Gew.% Zr-Blech 5 gebildet, das in einer Mehrzahl von Windungen aufgewickelt wurde.
Gemäß Fig. 3 wurde dieser Kern 6 in eine Kupferröhre 9 von 19 mm Außendurchmesser und 16 mm Innendurchmesser eingeschoben und dann gezogen, um ein sechseckiges Segment 10 zu erhalten.
Fig. 4 ist eines perspektivische Ansicht, welche das so gebildete sechseckige Segment 10 zeigt.
Gemäß Fig. 4 hat dieses sechseckige Segment 10 einen sechseckigen Querschnitt mit einem Abstand von Kante zu Kante von 2 mm und einer Länge von 200 mm.
Es sei nun Fig. 5 betrachtet. Etwa 800 derartiger sechseckiger Segmente 10 wurden in ein Kupferrohr 11 von 70 mm Außendurchmesser und 68 mm Innendurchmesser gepackt und danach beide Enden 11a und 11b des Kupferrohres 11 mit nicht dargestellten Kupferdeckeln verschlossen und durch Elektronenstrahlschweißung abgedichtet, um einen Knüppel (nicht dargestellt) herzustellen. Dieser Knüppel wurde dann extrudiert und wiederholt gezogen, um einen vieladrigen Draht 12 von 1 mm Durchmesser zu erhalten.
Fig. 6 ist eine schematische Querschnittsansicht, die den so erhaltenen vieladrigen Nb&sub3;Al-Draht (Drahtkörper für einen Nb&sub3;Al-Supraleiterdraht) 12 darstellt.
Betrachtet man Fig. 6, so erkennt man, daß dieser vieladrige Draht 12 durch eine Matrix (Stabilisierungsmaterial) 13 aus Kupfer und eine Anzahl von Drähten 14 erzeugt wurde, die aus Nb, Al, Nb-1Gew.% Zr und Kupfer bestehen und darin eingebettet waren.
Fig. 7 ist eine Modelldarstellung in der Mikrophotographie bei 5000facher Vergrößerung, die einen Schnitt jedes der Drähte 14 zeigt.
Gemäß Fig. 7 war der Draht 14 aus einer ersten Diffusionssperrschicht 106, welche Nb enthält und so ausgebildet war, daß sie die Außenfläche eines zentrisch angeordneten Kupferträgers (Stabilisierungsmaterial) 105 umschloß, einem laminierten Teil 109, der so ausgebildet war, daß er die erste Diffusionssperrschicht 106 umschloß, und einer zweiten Diffusionssperrschicht 110 aufgebaut, welche Nb enthält und so ausgebildet war, daß sie den laminierten Teil 109 umschloß. Weiter wurde noch ein Kupfermatrixkörper (Stabilisierungsmaterial) 111 um den Draht 14 herum gebildet, um die Außenfläche der zweiten Diffusionssperrschicht 110 zu umschließen.
In diesem Draht 14 waren innerhalb des laminierten Teiles 109 die Nb- und Al-Schichten 107 und 108 abwechselnd spiralig ausgebildet. Die Trennfläche zwischen den Nb- und Al-Schichten 107 und 108 hatten dicht zick-zack-förmigen Verlauf, um die Kontaktfläche zwischen den Nb- und Al- Schichten 107 und 108 zu vergrößern. Andererseits wurde die Grenzfläche zwischen der zweiten Diffusionssperrschicht 110 und der Kupfermatrix (Stabilisierungsmaterial) 111 geglättet. Desweiteren wurde die an der Außenfläche des laminierten Teiles 109 gebildete zweite Diffusionssperrschicht 110 in solcher Weise hergestellt, daß ihre Dicke in jedem Teil längs ihrer Umfangsrichtung im wesentlichen gleichförmig war.

(Beispiel 2)

Eine zweite Diffusionssperrschicht wurde durch ein Nb- 1Gew.% Zr-Rohr anstelle des Nb-1Gew.% Zr-Bleches vorgesehen, um einen Drahtkörper für einen mehradrigen, supraleitenden Nb&sub3;Al-Draht ähnlich Beispiel 1 bereitzustellen. Dies bedeutet, daß der Drahtkörper für einen supraleitenden, vieladrigen Draht aus einem sechseckigen Segmentkörper hergestellt wurde, der durch Einsetzen eines Drahtes 24, hergestellt durch Übereinanderlegen und Aufwickeln eines Nb- Bleches und eines Al-Bleches in ein Nb-1Gew.% Zr-Rohr 25 und ferner Einsetzen dieses Rohres 25 in ein Kupferrohr 9, erhalten wurde, wie in Fig. 8 gezeigt. Die übrigen Bedingungen waren absolut gleich denjenigen gemäß Beispiel 1, weshalb eine neuerliche Beschreibung unterbleibt.
Tabelle 2 zeigt die mechanischen Eigenschaften des in Beispiel 2 verwendeten Nb-1Gew.% Zr-Rohres 25. TABELLE 2
Der Drahtkörper für einen vieladrigen Draht, wie er hier erzeugt wurde, hatte eine Querschnittsgestalt gleich derjenigen des Drahtkörpers für einen vieladrigen Draht gemäß Beispiel 1, in den Fig. 6 und 7 gezeigt.

(Beispiel 3)

Eine zweite Diffusionssperrschicht wurde durch ein Nb- 1Gew.% Ti-Blech anstelle des Nb-1Gew.% Zr-Bleches gebildet, um einen Drahtkörper für einen vieladrigen, supraleitenden Nb&sub3;Al-Draht ähnlich demjenigen von Beispiel 1 zu erzeugen. Die übrigen Bedingungen entsprachen vollständig denjenigen von Beispiel 1, so daß die abermalige Beschreibung hier entfallen kann.
Tabelle 3 zeigt die mechanischen Eigenschaften des in Beispiel 3 verwendeten Nb-1Gew.% Ti-Bleches. TABELLE 3
Der Drahtkörper für einen vieladrigen Draht, wie er in dieser Weise erhalten wurde, hatte eine Querschnittsgestalt entsprechend derjenigen des Drahtkörpers für einen mehradrigen Draht, wie er gemäß Beispiel 1 erhalten wurde und in den Fig. 6 und 7 gezeigt ist.

(Beispiel 4)

Eine zweite Diffusionssperrschicht wurde durch ein Nb- Blech, das nicht wärmebehandelt wurde, anstelle des Nb- 1Gew.% Zr-Bleches gebildet, um einen Drahtkörper für einen vieladrigen, supraleitenden Nb&sub3;Al-Draht ähnlich dem Beispiel 1 zu erzeugen. Die übrigen Bedingungen waren vollständig gleich denjenigen im Beispiel 1, weshalb eine abermalige Beschreibung hier weggelassen ist.
Tabelle 4 zeigt die mechanischen Eigenschaften des Nb- Bleches, welches keine Wärmebehandlung erfuhr, wie in Beispiel 4 verwendet. TABELLE 4
Der Drahtkörper für einen vieladrigen Draht, wie er so erzeugt wurde, hatte eine Querschnittsgestalt, welche ähnlich derjenigen des Drahtkörpers für einen vieladrigen Draht war, der in Beispiel 1 erhalten wurde, wie in den Fig. 6 und 7 gezeigt.

(Vergleichsbeispiel)

Ein erstes Blech wurde aus Nb-Folie bereitgestellt, welches bei einer Temperatur von 800ºC für etwa zwei Stunden wärmebehandelt war und eine zweite Diffusionssperrschicht wurde durch dieses erste Blech gebildet, um einen Drahtkörper für einen vieladrigen, supraleitenden Nb&sub3;Al- Draht ähnlich Fig. 1 herzustellen. Die anderen Bedingungen waren vollständig gleich denjenigen in Beispiel 1, so daß eine nochmalige Beschreibung hier weggelassen ist.
Tabelle 5 zeigt die mechanischen Eigenschaften des wärmebehandelten Nb-Bleches, das in dem Vergleichsbeispiel Verwendung fand. TABELLE 5
Fig. 9 ist eine Schnittansicht, welche schematisch den so erhaltenen Drahtkörper für einen supraleitenden, vieladrigen Nb&sub3;Al-Draht gemäß dem Vergleichsbeispiel in vergrößertem Maßstab zeigt.
Es sei auf Fig. 9 Bezug genommen. Dieser Drahtkörper für einen vieladrigen Draht hatte eine Querschnttsgestalt, welche gleich derjenigen des Drahtkörpers für einen vieladrigen Draht gemäß Beispiel 1 war, wie in Fig. 7 gezeigt, während ersterer vom letzteren nur in einem Punkt verschieden war, nämlich, daß die Grenzfläche zwischen einer zweiten Diffusionssperrschicht 120 und einer Kupfermatrix (Stabilisierungsmaterial) 111 Zick-Zack-Verlauf hatte.

(Prüfung der Supraleitfähigkeit)

Die fünf Arten von Drahtkörpern, wie sie in den Beispielen 1 bis 4 und in dem Vergleichsbeispiel erhalten wurden, wurden bei 800ºC für fünf Stunden wärmebehandelt, um supraleitende Drähte zu erzeugen, welche dann der Messung der kritischen Stromdichten (Jc) bei 4,2 K und 12 T unterzogen wurden. Tabelle 6 zeigt die Ergebnisse. Tabelle 6 zeigt auch die Häufigkeit von Drahtbrüchen, welche verursacht wurden, bevor Knüppel von 70 mm Durchmesser in vieladrige Drähte von 1 mm Durchmesser bei der Herstellung entsprechender Drahtkörper verarbeitet wurden. TABELLE 6
Man ersieht aus Tabelle 6, daß jeder der supraleitenden Drähte, die aus den Drahtkörpern gemäß den Beispielen 1 bis 4 erhalten wurden, eine höhere kritische Stromdichte und ein größeres Restwiderstandsverhältnis der Kupfermatrix, welche als Stabilisierungsmaterial verwendet wurde, auch im Vergleich zu denjenigen Werten aufwies, welche mit dem Drahtkörper gemäß dem Vergleichsbeispiel erhalten wurden.
In dem supraleitenden Draht gemäß dem Vergleichsbeispiel war das Restwiderstandsverhältnis der Kupfermatrix, welche als stabilisierendes Material verwendet wurde, nicht mehr als 100. Dies beruht darauf, daß die Al-Atome thermisch durch die Diffusionssperrschicht diffundierten, um beim Wärmebehandlungsschritt zur Bildung des Nb&sub3;Al die Kupfermatrixschicht zu erreichen, um diese zu verunreinigen. Andererseits zeigte der supraleitende Draht gemäß jedem Beispiel ein großes Restwiderstandsverhältnis der Matrix. Dies beruht auf der Unversehrtheit der Diffusionssperrschicht, welche aufgrund der Verwendung der Nb-Legierung aufrechterhalten wurde, die aus Nb-1Gew.% Zr oder Nb-1Gew.% Ti bestand und demgemäß war die Verunreinigung der Matrix mit Al-Atomen beim Wärmebehandlungsvorgang reduziert.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird weiter die Häufigkeit von Drahtbrüchen bei der Bearbeitung zur Reduzierung der Querschnittsfläche vermindert, so daß ein längerer vieladriger Draht in leichter Weise hergestellt werden kann.
Unter Bezugnahme wiederum auf Fig. 7 ist festzustellen, daß die zweite Diffusionssperrschicht 110, welche zur Umkleidung der Außenoberfläche des laminierten Teiles 109 ausgebildet worden war, in jedem Teil längs der Umfangsrichtung im Beispiel gemäß der vorliegenden Erfindung gleichförmig ausgebildet war. Weiter war die Grenzfläche zwischen der zweiten Diffusionssperrschicht 110 und der Kupfermatrix (stabilisierendes Material) 111 so geglättet, daß im Vergleich mit dem Vergleichsbeispiel, wie in Fig. 9 gezeigt, die Kontaktfläche dazwischen reduziert war. Aus diesem Grunde wurden bei dem Wärmebehandlungsschritt zur Bildung des Nb&sub3;Al die Aluminiumatome daran gehindert, durch thermische Diffusion als Verunreinigungen in die Kupfermatrix (stabilisierendes Material) 111 eingebaut zu werden. Folglich zeigte der supraleitende Draht gemäß dem Beispiel ein höheres Restwiderstandsverhältnis der Kupfermatrix (stabilisierendes Material) 111 im Vergleich zu demjenigen gemäß dem Vergleichsbeispiel.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird, wie oben beschrieben, die Diffusionssperrschicht so fehlerfrei gebildet, daß sie die Kupfermatrix vor Verunreinigung mit X-Atomen bei dem Wärmebehandlungsschritt ohne besondere Erhöhung der Filmdicke schützt, so daß die Geschwindigkeit der Bearbeitung zur Verminderung der Querschnittsfläche erhöht werden kann. So hat der supraleitende Draht, der von dem erfindungsgemäßen Nb&sub3;X-Drahtkörper supraleitender Art bereitet wird, eine höhere kritische Stromdichte und ein größeres Restwiderstandsverhältnis der Kupfermatrix im Vergleich zu einem herkömmlichen supraleitenden Draht.
Weiter ist die Grenzfläche zwischen den Nb- und Al- Schichten mit dichtem Zick-Zack-Verlauf versehen, um die Kontaktfläche dazwischen zu vergrößern, so daß eine höhere kritische Stromdichte (Jc) erhalten wird.
Die Metallatome X, welche mit dem Nb reagieren, um eine Supraleitfähigkeit zeigende Verbindung zu bilden, können beispielsweise von Sn oder Ge neben dem in den vorerwähnten Beispielen verwendeten Al gebildet werden. Andererseits kann die Nb-Legierung und/oder die X-Legierung auch Ge, Sn, Ti, Si, Hf, Ta, Zr, Mg und/oder Be, als Beispiele genannt, enthalten.
Während in jedem der Beispiele 1 bis 4 nur die zweite Diffusionssperrschicht aus metallischem Material mit höherer Zugfestigkeit als derjenigen des ersten Bleches hergestellt worden war, können sowohl die erste als auch die zweite Diffusionssperrschicht alternativ aus Metallmaterial gefertigt werden, das höhere Zugfestigkeit hat als das erste Blech.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann weiter die zweite Diffusionssperrschicht aus einem metallischen Material gebildet sein, das dieselbe Zusammensetzung wie diejenige des ersten Bleches hat, wie dies in Beispiel 4 angegeben ist. Wenn die zweite Diffusionssperrschicht beispielsweise aus reinem Nb bereitet ist, kann das erste Blech aus einem Blechstück von reinem Nb gebildet sein, das durch Walzen und Wärmebehandeln in einem Bereich 700 bis 1100ºC für eins bis zehn Stunden erzeugt wird, während die zweite Diffusionssperrschicht durch ein Blech aus reinem Nb oder eine Röhre gebildet ist, die durch Kaltverformung, beispielsweise Walzen, erzeugt ist. Das wärmebehandelte reine Nb-Blech wird bezüglich Zugfestigkeit und Härte im Vergleich zu dem reinen Nb-Blech oder der Röhre, die durch Kaltverformung, etwa Walzen, bereit gestellt ist, vermindert. In dem wärmebehandelten, reinen Nb-Blech werden weiter die Kristalle so ausgerichtet, daß die Richtung seiner gleitenden Flächen im wesentlichen nicht orientiert ist. In dem Blech oder der Röhre aus reinem Nb, welches für die zweite Diffusionssperrschicht verwendet wird, sind andererseits die Kristalle in bestimmtem Maße bei der Kaltbearbeitung, etwa beim Walzen, ausgerichtet. Der Schritt der Wärmebehandlung des ersten Bleches, das aus reinem Nb oder einer Nb-Legierung besteht, wird vorzugsweise bei einem bestimmten Vakuum von 1,3*10&supmin;³ bis 1,3*10&supmin;&sup5; Pa (10&supmin;&sup5; bis 10&supmin;&sup7; Torr) durchgeführt.
Gemäß Beispiel 4 ist die Diffusionssperrschicht aus metallischem Material mit höherer Härte als derjenigen des ersten Bleches hergestellt. Folglich ist es möglich, zu verhindern, daß der Draht, der durch abwechselndes Aufeinanderlegen und Aufwickeln eines ersten und zweiten Bleches erzeugt ist, sich bei der Bearbeitung zur Verminderung der Querschnittsfläche ungleichförmig deformiert. So ist der durch abwechselndes Aufeinanderlegen und Aufwickeln des ersten und zweiten Bleches gebildete Draht bezüglich der Bearbeitbarkeit verbessert.
Während die vorliegende Erfindung vorstehend im einzelnen beschrieben und dargestellt ist, versteht es sich, daß dies nur zur Verdeutlichung und beispielsweise geschieht und nicht eine Beschränkung des Umfanges der Erfindung bedeutet, welche nur durch die in den anliegenden Ansprüchen gegebene Definition umgrenzt ist.

Claims

1. Drahtkörper für einen supraleitenden Nb&sub3;X-Draht enthaltend:

ein Drahtteil (6), welches in der Weise erzeugt wird, daß ein erstes Blech (1; 107), das aus reinem Nb oder einer Nb-Legierung besteht, und ein zweites Blech (2; 108), das aus Atomen des Metalls X oder einer Legierung des Metalls X besteht, übereinandergelegt und aufgewickelt werden, wobei die Atome des Metalls X mit dem genannten Nb zur Bildung einer Supraleitfähigkeit zeigenden Verbindung reagieren;

eine Stabilisierungsmaterialschicht (9; 111), welche so vorgesehen ist, daß sie das Drahtteil (6) umschließt; und

eine Diffusionssperrschicht (5, 8; 25; 11), welche zwischen einer Außenfläche des genannten Drahtteils (6) und einer Innenfläche der genannten Stabilisierungsmaterialschicht (9; 111) vorgesehen ist, um die Atome des Metalls X daran zu hindern, in die genannte Stabilisierungsmaterialschicht (9; 111) hineindiffundiert zu werden;

dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Diffusionssperrschicht (5, 8; 25; 110) aus metallischem Material hergestellt ist, das eine höhere Zugfestigkeit hat als diejenige des genannten ersten Blechs (1; 107).

2. Drahtkörper nach Anspruch 1 für einen vieladrigen supraleitenden Nb&sub3;X-Draht, der durch eine Anzahl solcher Drahtkörper gebildet ist, die als supraleitende Drahtadern (14; 34) in eine Matrix (33) eingebettet sind.

3. Drahtkörper nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem die Grenzfläche zwischen dem ersten Blech (1; 107) und dem zweiten Blech (2; 108) so dichten Zickzack-Verlauf hat, daß die zwischenliegende Kontaktfläche vergrößert ist.

4. Drahtkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem das Metallmaterial der genannten Diffusionssperrschicht (5, 8; 25; 110) eine Nb-Legierung enthält, die so zusammengesetzt ist, daß sie eine höhere Zugfestigkeit hat als diejenige des genannten ersten Blechs (1; 107).

5. Drahtkörper nach Anspruch 4, bei welchem die genannte Nb-Legierung eine solche ist, die aus NbZr, NbTi und NbHf ausgewählt ist.

6. Drahtkörper nach Anspruch 5, bei welchem die genannte Legierung 0,02 bis 5 Gewichtsprozent von Zr, Ti oder Hf in einem Einzelzustand oder zusammengesetzten Zustand enthält.

7. Drahtkörper nach den Ansprüchen 1 bis 3, bei welchem die genannten Atome des Metalls X von einem Metall sind, das aus Al, Sn und Ge ausgewählt ist.