ES2119448T5 - Procedimiento de trefilado de superconductores que se presentan en forma de hilos. - Google Patents

Abstract

LOS MATERIALES CERAMICOS DE OXIDO SUPERCONDUCTORES SON ELABORADOS FORMANDO CONDUCTORES SIMILARES A ALAMBRE MEDIANTE INSERTADO EN TUBOS (2) DE PLATA, LLEVANDOLOS DESPUES A CONDUCTORES SIMILARES A ALAMBRE Y SINTERIZANDOSE BAJO UNA CORRIENTE DE OXIGENO. PARA SER CAPAZ DE ELABORAR TALES CONDUCTORES DE TIPO DE ALAMBRE DE FORMA INDUSTRIAL CON CALIDAD ADECUADA, DE ACUERDO CON LAS CONDICIONES DE DISEÑO Y DE POTENCIA, EN EL PROCESO SEGUN LA INVENCION EL TUBO (2) DE PLATA COMO CARCASA DE SINTERIZADO SE DISPONE CON MATERIAL (1) CERAMICO QUE SE COLOCA EN UNA CARCASA (3), POR EJEMPLO DE ACERO (35) RECOCIDO SUAVE Y LA CARCASA COMBINADA ASI PRODUCIDA ES SOMETIDA A ETAPAS DE PROYECTO. DESPUES DEL DISEÑO LA CARCASA DE ACERO ES ADEMAS RECOCIDA CON AGUA FUERTE. PARA ELLO SE DISPONE DE UN GRAN NUMERO DE ETAPAS DE DISEÑO EN LA CARCASA ENDURECIDA MEDIANTE DEFORMACION EN FRIO, QUE DEBE SER ELIMINADA Y REEMPLAZADA POR MEDIO DE UNA DISPOSICION DE RECOCIDO SUAVE. LA CARCASA SINTERIZADA PUEDE SER TAMBIEN RECOCIDA DEFORMA SUAVE AL MISMO TIEMPO.

Description

Procedimiento de trefilado de superconductores que se presentan en forma de hilos.

La invención se refiere a un procedimiento según el preámbulo de la primera reivindicación para trefilar superconductores filiformes, en particular para la fabricación de superconductores filiformes de sección pequeña, redonda o plana.

Desde el descubrimiento de la superconductividad oxídica a alta temperatura se conocen materiales que poseen propiedades superconductoras a temperaturas de hasta 125 K. Se trata de materiales cerámicos a base de óxidos metálicos fabricados por procedimientos de sinterizado, es decir, de materiales muy frágiles y difíciles de trabajar a los que sólo superando dificultades extremas se les pueden dar las formas necesarias para aplicaciones técnicas.

Para muchas aplicaciones en los campos de la electrónica y la microelectrónica se necesitan conductores en forma de hilo o de banda como acumuladores de energía para la fabricación de bobinas magnéticas superconductoras. Estos con-
ductores se deberían poder fabricar preferentemente con diámetros de hasta menos de 1 mm y con longitudes de hasta varios kilómetros. Al mismo tiempo estos conductores deberían ser suficientemente flexibles para que se puedan doblar sin sufrir daño alrededor de un radio con un orden de magnitud de 20 mm. Además y dentro del campo de la construcción magnética es importante que los conductores puedan presentar una densidad de corriente lo más alta posible dentro del campo magnético (superior a 10.000 A/cm^{2}).

Bajo la dirección del Prof. Dr. P. Wachter se ha preparado en la Escuela Técnica Superior de
Zurich (ETH) una tesis doctoral (Tesis ETH núm. 10213, Joachim Löhle), en la que se describen esta clase de conductores filiformes para la superconducción a alta temperatura. De hecho no se trata de un material superconductor conformado en forma de hilo sino de un material cerámico de óxido superconductor, sinterizado, con una envuelta, en particular de Yba_{2}Cu_{3}O_{x} ó Bi_{2}Sr_{2}CaCu_{2}O_{x}. Los superconductores filiformes se fabrican cargando en un tubo (vaina) el material cerámico superconductor obtenido a partir de los óxidos correspondientes mediante prensado múltiple, sinterizado y nuevo desmenuzando, trefilando a continuación el tubo relleno de forma conocida para darle forma filiforme. Para que el material cerámico presente en la forma filiforme terminada de trefilar las propiedades superconductoras deseadas, es necesario volver a sinterizarlo en este estado (sinterizado final), precisamente bajo un flujo de oxígeno.

Los conductores filiformes de sección plana (cintas) se fabrican laminando los conductores filiformes que todavía no han pasado al sinterizado final,
efectuando el sinterizado final en la forma de banda. Las bandas presentan unas densidades de corriente mayores que los conductores filiformes de sección redonda, lo cual debe achacarse a una compactación del material cerámico y a la alineación de los cristalitos al laminar.

Para trefilar los conductores filiformes se parte por ejemplo de un tubo metálico con un diámetro exterior de 10 mm y un diámetro interior de 8 mm, dentro del cual se carga el material cerámico superconductor, y que mediante trefilados múltiples se conforma dándole un diámetro exterior de 0,5 mm y un diámetro interior de 0,4 mm, lográndose en cada fase de trefilado una reducción de sección de aprox. un 8%.

Siguiendo el procedimiento análogo se fabrican también conductores y bandas filiformes que tengan más de un núcleo superconductor, para lo cual el tubo metálico no se llena con el material cerámico sino con por ejemplo nueve conductores filiformes ya trefilados, cada uno de los cuales rodea un núcleo. Llenando un tubo con varios conductores filiformes que ya tengan a su vez varios núcleos se puede incrementar aún más el número de núcleos.

Con el fin de que durante el sinterizado final necesario se pueda poner en contacto el material cerámico con el flujo de oxígeno es preciso que el material de la vaina presente suficiente permeabilidad al oxígeno. Por este motivo se propone que para la fabricación de los conductores filiformes se empleen por ejemplo tubos de plata o tubos de plata aleada con paladio. La plata, además de poseer suficiente permeabilidad para el oxígeno, tiene además un punto de fusión suficientemente alto para permitir una temperatura de sinterizado útil, y tiene suficiente estabilidad química para no reaccionar durante el proceso de sinterizado ni con el oxígeno ni con el material cerámico. Al trefilar los conductores filiformes la vaina de plata se conforma en frío con lo cual adquiere mayor dureza. Por eso es preciso que en el curso del proceso de trefilado antes citado a título de ejemplo, se someta, entre las fases de trefilado, a uno o dos procesos de recocido suave.

La calidad de los conductores filiformes debe satisfacer los requisitos más rigurosos, ya que los puntos de fallo influyen notablemente en la superconductividad. Los conductores y bandas filiformes descritos en la tesis doctoral fueron fabricados con un trabajo manual sumamente laborioso, con un coste que no resulta justificable en absoluto para aplicaciones técnicas o incluso industriales. Los problemas resultantes por este motivo para una posible fabricación industrial, en particular, para su fabricación con una velocidad de trefilado razonable, no eran objeto de la tesis doctoral citada, ni se citan en modo alguno en esta tesis doctoral.

Por este motivo la invención se plantea como objetivo el presentar un procedimiento mediante el cual los superconductores filiformes antes descritos y otros similares se puedan fabricar con una precisión, velocidad de trefilado y rendimiento satisfactorios. Este objetivo se resuelve mediante el procedimiento objeto de la invención tal como está definido en las reivindicaciones.

La dificultad en la fabricación de los conductores y bandas filiformes descritos se debe a que la plata es un material relativamente blando y dúctil, que en consecuencia ofrece una escasa resistencia al proceso de trefilado. Además, sólo una parte del material que hay que trefilar es plata (aprox. el 50% de la sección). El núcleo consiste en un material frágil, que no tiene una homogeneidad finísima, y que opone una resistencia muy distinta a la deformación. Pero como el material de la vaina ha de satisfacer principalmente los requisitos de la sinterización final (permeabilidad al oxígeno y estabilidad química), no se puede sustituir de cualquier manera por un material más óptimo para el proceso de trefilado. Por estos motivos, las irregularidades que muestran los conductores filiformes fabricados de acuerdo con el estado de la técnica, que resulten sensiblemente molestos o que reduzcan la superconductividad solamente se pueden evitar poniendo sumo cuidado, un cuidado que en un procedimiento técnico con unas velocidades de trefilado razonables no se puede conseguir. La optimización del conformado mecánico mediante el trefilado y de las propiedades del material para el riguroso sinterizado final no se puede conseguir mediante uno solo y el mismo material. La idea básica radica en la división de funciones. Los dos materiales elegidos, respectivamente, de manera óptima para su función respectiva deberán resolver conjuntamente el problema y conducir al objetivo deseado.

En el procedimiento objeto de la invención, tal como está definido en la reivindicación 1, se soslayan por lo tanto las dificultades antes citadas, introduciendo la vaina rellena del material superconductor, que se trata de conformar, dentro de otra vaina, con lo cual se forma una combinación con una vaina interior y una vaina exterior, donde la vaina interior, la vaina de sinterizado, satisface de manera óptima las condiciones para el sinterizado final, y la vaina exterior, la vaina de trefilado, permite un proceso de trefilado rápido, sin problemas en comparación con lo actual. Para ello la vaina exterior está diseñada de tal manera que, en primer lugar, soporte la mayor parte de la fuerza de tracción durante el trefilado, que, en segundo lugar, no modifique o ponga en peligro en modo alguno la vaina interior y, en tercer lugar, que después de trefilar se pueda volver a quitar de la forma filiforme obtenida. Un ejemplo de forma de proceder para quitar cuidadosamente la vaina de trefilado de la vaina de sinterizado es, por ejemplo, un procedimiento mediante ataque ácido.

Una vaina de trefilado de esta clase puede ser, por ejemplo, un tubo de acero recocido suave (St 35), dentro del cual se introduce la vaina de sinterizado llena de material cerámico, un tubo de plata o de aleación de plata. La combinación de vainas se somete a un proceso de trefilado en una máquina trefiladora de alambre normal, obteniéndose en cada pasada de trefilado una nueva reducción de sección de aprox. un 8%. Al igual que la vaina de sinterizado de plata, también la vaina de trefilado exterior adquiere dureza y acritud debido a la deformación en frío durante el trefilado. Por este motivo se interrumpe el proceso de trefilado por lo menos una vez, se elimina la vaina de trefilado de acero, que sólo tiene una pared delgada, mediante un ataque ácido, y se efectúa un recocido suave de la vaina de sinterizado de plata, a unos 280ºC. A continuación se introduce la vaina de sinterizado con su contenido superconductor en una nueva vaina de trefilado recocida suave y se somete a continuación a nuevas pasadas de trefilado. El producto trefilado terminado en el que la vaina de sinterizado que envuelve al núcleo tiene el diámetro (la sección) deseado/a, se vuelve a atacar con ácido para eliminar la vaina de trefilado, y a continuación se somete al sinterizado final bajo un flujo de oxígeno. El sinterizado final se realiza exactamente de la misma manera que en los correspondientes conductores filiformes que se habían fabricado según el método conocido, de acuerdo con la tesis doctoral inicialmente debatida, es decir, que las propiedades de la envolvente de plata no se ven influenciadas por las fases de ataque químico necesarias para eliminar la envolvente exterior de acero que sirve de ayuda para la tracción.

Como ya se ha mencionado anteriormente, el trefilado de la combinación de vainas se puede efectuar en trefiladoras de alambre comerciales, a las velocidades de tracción correspondientes. El conductor filiforme fabricado de acuerdo con el procedimiento objeto de la invención, con un núcleo de material cerámico superconductor, cumple de manera óptima los elevados requisitos de calidad establecidos para conductores filiformes superconductores. De acuerdo con el procedimiento objeto de la invención se pueden fabricar también conductores filiformes de sección plana (bandas) sometiendo la combinación de vainas terminadas de trefilar a un laminado plano, antes de eliminar con el ataque ácido la vaina de trefilado, y efectuando el sinterizado final de la vaina. También se pueden fabricar conductores filiformes con multitud de núcleos superconductores, partiendo para ello de vainas de plata cuyo espacio interior no esté directamente relleno de material cerámico sino de conductores filiformes terminados que tengan por lo menos un núcleo superconductor.

A continuación se trata de describir con detalle la invención sirviéndose de las siguientes figuras. Éstas muestran:

Fig. 1 una sección longitudinal a través de un ejemplo de hilo con núcleo superconductor, vaina de sinterizado y vaina de trefilado, así como un diagrama de la fuerza de tracción durante el proceso de trefilado;

Fig. 2 un esquema de un ejemplo de proceso de revestimiento para introducir el hilo en la vaina de trefilado;

Figs. 3 a 6 secciones a través de la vaina de trefilado y el hilo durante el proceso de revestimiento según la figura 2;

Figs. 7 y 8 secciones a través de ejemplos de realización de hilos con doble vaina y núcleo superconductor, después de un proceso de revestimiento según las figuras 2 a 6.

La figura 1 muestra esquemáticamente una sección de una combinación de vainas tal como se utiliza para trefilar conductores con núcleo de material cerámico superconductor, de acuerdo con el procedimiento objeto de la invención. Debajo de la combinación de vainas representada en sección está representado también un diagrama de la fuerza de tracción Z soportada por la combinación de vainas durante el trefilado, estando representada la fuerza de tracción en función de la longitud de la combinación, es decir del punto combinado que pasa en cada momento a través de la hilera, o del tiempo T, en particular en la fase inicial y final del proceso de trefilado.

La combinación de vainas se compone de un núcleo 1 de un material cerámico superconductor, de una vaina de sinterizado 2 de plata o de una aleación de plata y de una vaina de trefilado 3, de acero recocido suave 35 (St 35). Los extremos de la combinación de tubos están cerrados con tapones de plomo 4.

En una primera fase en la que solamente pasa a través de la hilera la vaina de trefilado 3 cargada con el tapón de plomo 4, la fuerza de tracción Z es relativamente baja, y aumenta en cuanto llega también a la hilera la vaina de plata. La fuerza de tracción alcanza un valor máximo en cuanto se está trefilando también el material cerámico 3. Es preciso señalar que el proceso de trefilado transcurre de forma muy continuada, es decir que la fuerza de tracción se mantiene muy estable en el valor máximo mientras se pasa a través de la hilera el trozo principal de la combinación de vainas con el núcleo 1, la vaina de sinterizado 2 y la vaina de trefilado 3.

En una variante del proceso a título de ejemplo se utiliza como vaina de sinterizado un tubo de plata con un diámetro exterior de 10 mm y un diámetro interior de 8 mm, que está lleno del material cerámico superconductor (por ejemplo Yba_{2}Cu_{3}O_{x} ó Bi_{2}Sr_{2}CaCu_{2}O_{x}) y que está introducido en un tubo exterior (vaina de trefilado) de acero recocido suave 35 con un diámetro exterior de 16 mm y un diámetro interior de 11 mm. Esta combinación de vainas se cierra por los extremos mediante tapones de plomo y en varias fases de trefilado se trefila con una reducción de sección de aprox. un 8% en cada fase, hasta obtener una combinación de vainas con una vaina de trefilado con un diámetro de 6,6 mm exterior o 4,54 mm interior y una vaina de sinterizado con un diámetro exterior de 4,54 mm y 3,63 mm de diámetro interior. La vaina de trefilado se elimina mediante un ataque ácido y la vaina de sinterizado se somete a un recocido suave. La vaina de sinterizado recocida suave se introduce en una segunda vaina de trefilado (igualmente de acero recocido suave 35) con un diámetro exterior de 8 mm e interior de 5 mm, y se sigue deformando en nuevas fases de trefilado hasta que la vaina de trefilado haya alcanzado un diámetro exterior de 1,16 mm y 0,725 mm interior, y la vaina de sinterizado un diámetro exterior de 0,725 mm y 0,58 mm de diámetro interior.

Para introducir la vaina de sinterizado llena del material superconductor en una vaina de trefilado, especialmente después de las fases de trefilado ya realizadas, es decir, cuando la vaina de sinterizado ya tenga un diámetro pequeño y una longitud considerable, se puede aplicar un procedimiento continuo en el que la vaina de trefilado se coloca alrededor de la vaina de sinterizado en forma de una banda de revestimiento, inmediatamente antes del trefilado. Con este procedimiento se pueden emplear entonces procedimientos de rodillo a rodillo.

La figura 2 muestra esquemáticamente uno de estos procedimientos de rodillo a rodillo, a título de ejemplo. Las figuras 3 a 7 son secciones, especialmente a través de la banda 20 que se conforma para obtener la vaina de trefilado, y a través del hilo 30 con vaina de sinterizado y vaina de trefilado, de acuerdo con las secciones III-III, IV-IV, V-V, VI-VI y VII-VII de la figura 2.

La banda de revestimiento (sección según la línea de corte III-III: figura 3), que es por ejemplo de acero 35, se va alimentando por ejemplo desde un rollo de almacén 21 al sistema de revestimiento. Entre un primer par de rodillos 22/23 se conforma la banda de revestimiento 20 para obtener un perfil en forma de U, 20.1, cuyo diámetro interior se corresponde con el diámetro del hilo 30 que se trata de revestir. La figura 4 muestra los perfiles de los dos rodillos 22 y 23 así como el perfil en forma de U 20.1 en sección (línea de corte IV-IV).

Dentro del perfil en forma de U 20.1 y mediante un segundo par de rodillos 24/25 se coloca el hilo 30 (compuesto por el núcleo superconductor 1 y la vaina de sinterizado 2), a cuyo diámetro está ajustado el diámetro interior del perfil en forma de U 20.1. El hilo 30 se alimenta directamente desde un rollo 26 o desde un dispositivo de trefilado previo (no representado). La figura 5 muestra el perfil de los rodillos 24 y 25 así como el hilo colocado en el perfil en forma de U 20.1, compuesto por el núcleo superconductor 1 y la vaina de sinterizado 2.

El perfil en forma de U 20.1 se cierra alrededor del hilo 30 por medio de un tercer par de rodillos 27/28, formando ahora la vaina de trefilado 3. La figura 6 muestra el perfil de los rodillos 27 y 28 y una sección a través del hilo con doble revestimiento (1/2/3). La vaina de trefilado que se va fabricando en un proceso de revestimiento continuo tiene una costura 31, a diferencia de una vaina de trefilado fabricada a partir de un tubo. Tal como puede verse en la figura 6, esta costura 31 puede ser una costura a tope de dirección radial. Cuando el hilo con doble revestimiento que ha sido conformado entre la pareja de rodillos 27/28 sale de la guía de esta pareja de rodillos, la costura 31 puede volver a abrirse ligeramente debido a la elasticidad del material de la vaina de trefilado 3, tal como está representado en la sección a través de ese mismo hilo según la figura 7 (línea de corte VII-VII, figura 2), de manera que en la vaina de trefilado se abre una separación 31'.

El hilo terminado de revestir se hace pasar, por ejemplo, directamente a través de una hilera 29 y a continuación se enrolla. Al trefilar se vuelve a cerrar la separación 31' por las fuerzas radiales que actúan.

La figura 8 muestra una sección a través de un tubo con doble vaina, que no presenta una costura radial sino inclinada 31'. Por el mismo procedimiento se pueden obtener también costuras de otra forma. En cualquier caso es preciso que los bordes estrechos de la banda de revestimiento 20 estén preparados de acuerdo con la costura que se vaya a obtener, siendo preciso elegir la exactitud de la sección de la banda de tal manera que la costura 29 que se forma en el proceso de revestimiento no influya negativamente en las características del trefilado del hilo con doble envolvente, ni que la costura deforme la vaina de sinterizado 2 o el núcleo superconductor 1, produciéndose así un deterioro.

En lugar de un proceso de revestimiento según la figura 2, que parte de una banda de revestimiento 30, se puede aplicar también un procedimiento que parta directamente de un perfil en forma de U 20.1. Este perfil en forma de U conviene ventajosamente someterlo previamente a un recocido suave.

En lugar de dos parejas de rodillos 22/23 y 27/28 para deformar la banda de revestimiento 20 y obtener la vaina de tracción 3, se pueden emplear también más de dos pares de rodillos para una deformación en varias etapas.

Las parejas de rodillos 22/23, 24/25 y 27/28 pueden estar motorizadas sirviendo no solamente para la deformación de la banda de revestimiento y para posicionar el hilo en la banda parcialmente deformada, sino que pueden servir también para impulsar el hilo 30 y la banda de revestimiento 20 a través del proceso de revestimiento, con un mínimo de esfuerzos de tracción y de impacto.

Si para el revestimiento del hilo a base de vaina de sinterizado y núcleo superconductor con una vaina de tracción se emplea un procedimiento según las figuras 2 a 7 o un procedimiento similar, esto significa que la vaina de tracción ya sufre una deformación en frío durante el proceso de revestimiento, y por lo tanto tiene probablemente una ductilidad ligeramente reducida para el trefilado, en comparación con una vaina recocida suave. En comparación con un procedimiento en el que se utilice como vaina de tracción un tubo recocido suave, esto significa que la vaina de tracción probablemente se tenga que volver a eliminar mediante un ataque ácido durante unas pocas fases de tracción, es decir, después de una reducción de sección menor, teniendo que sustituirlo. Para cada caso específico es preciso que el técnico en trefilado determine lo óptimo entre el material de la vaina de tracción, el procedimiento de revestimiento, el espesor de la vaina de tracción y la reducción de sección entre cada dos fases de revestimiento.

Claims (10)

1. Procedimiento para trefilar superconductores filiformes que dentro de una vaina de sinterizado (2) de plata o de una aleación de plata que sea permeable al oxígeno, presenta por lo menos un núcleo de un material cerámico superconductor, donde la sección de la vaina de trefilado y del núcleo se reduce en un proceso de trefilado, con una multitud de fases de trefilado, hasta obtener la sección deseada, y el producto trefilado se somete a un sinterizado final bajo un flujo de oxígeno, caracterizado porque para evitar problemas de tracción y para incrementar la posible velocidad de trefilado se introduce la vaina de sinterizado (2), con el material cerámico superconductor, antes del proceso de trefilado, dentro de una vaina de trefilado (3) adecuada para el proceso de trefilado, cuya vaina de trefilado es de un material menos blando y más resistente que el material de la vaina de sinterizado y porque el proceso de trefilado se realiza con la combinación de vainas formada por las dos vainas (2 y 3) y por lo menos un núcleo (1),

eliminándose la vaina de trefilado después de una serie de fases de trefilado, sustituyéndola por una vaina de trefilado nueva,

y donde se retira la vaina de trefilado del producto trefilado antes de la sinterización final.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque las vainas de trefilado (3) son de acero 35 recocido suave antes del trefilado.

3. Procedimiento según la reivindicación 2, caracterizado porque las vainas de trefilado (3) se eliminan mediante un ataque con ácido.

4. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque después de retirar la primera vaina de trefilado (3) se somete la vaina de sinterizado (2) a un recocido suave.

5. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque en cada fase de trefilado se logra una reducción de sección del 8% de la combinación de vainas.

6. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque el núcleo (1) es de Yba_{2}Cu_{3}O_{x} ó Bi_{2}Sr_{2}CaCu_{2}O_{x}.

7. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque la combinación de vainas se deforma después del trefilado por laminación para obtener una forma de hilo de sección plana.

8. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque el núcleo (1) de la vaina de sinterizado (2) está compuesto por una multitud de conductores filiformes con núcleo superconductor.

9. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque la vaina de sinterizado (2) con el núcleo superconductor (1) se reviste con una banda de revestimiento (20) en el curso de un proceso de revestimiento continuo, para introducirlo en una vaina de trefilado (3).

10. Procedimiento según la reivindicación 9, caracterizado porque durante el proceso de revestimiento continuo se deforma la banda de revestimiento (20) en un perfil en forma de U (20.1), porque dentro del perfil en forma de U (20.1) se coloca un hilo compuesto por un núcleo superconductor (1) y la banda de sinterizado (2), y porque a continuación se conforma el perfil en forma de U (20.1) mediante una nueva deformación para obtener una vaina de trefilado cerrada (3).