WO2012136181A2 - Verfahren zur herstellung eines substratbandes - Google Patents

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Andreas Heckmann
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    • C22C19/00Alloys based on nickel or cobalt
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    • B32BLAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
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    • C22C9/00Alloys based on copper
    • C22C9/06Alloys based on copper with nickel or cobalt as the next major constituent

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a substrate strip for high temperature superconductors.
  • DE 10 2008 016 222 B4 discloses a metal foil with (in% by weight) Ni 80-90%, W 10-20% and also Al and / or Mg and / or B in contents AI 0.0001 - max. 0.02%, Mg 0.0001 - max. 0.015%, B 0.0001 - max. 0.005% and inevitable impurities.
  • the metal foil can be used as a metal strip for epitaxial coatings.
  • the aim of the subject invention is to provide a method for producing a substrate strip for high-temperature superconductor, with which hysteresis losses, especially in the case of AC applications, but also in applications with electrical or magnetic alternating fields, can be kept as low as possible.
  • a substrate strip for high-temperature superconductor is to be provided, which is simple in construction and can be produced inexpensively.
  • the object is achieved on the one hand by a method for producing a substrate strip for high-temperature superconductor by forming a non-ferromagnetic or only slightly ferromagnetic metallic carrier material with at least one highly textured metallic cover layer by mechanical plating to form a metal composite.
  • a substrate strip for high-temperature superconductor consisting of a non-ferromagnetic or only slightly ferromagnetic metallic carrier material, which is connected to at least one heavily textured cover layer.
  • the terms "ferromagnetic” and “weakly ferromagnetic” are defined as follows:
  • the support material has a Curie temperature (transition temperature ferromagnetic - paramagnetic), which is below a possible application temperature (currently about -196 ° C) of the high temperature superconductors and is referred to as “non-ferromagnetic.”
  • the support material has a Curie temperature slightly above the application temperature and is referred to as “weakly ferromagnetic.”
  • a temperature "slightly above” is for example -70 ° C, taking into account the currently used application temperature of about - 196 ° C (liquid nitrogen).
  • the bonding of the carrier material to the cover layer is carried out by roll-plating.
  • the metal composite can then be subjected to at least one-stage cold rolling.
  • an intermediate layer on the substrate before plating can serve as a diffusion barrier or adapter layer and, another idea of the According to the invention, be formed by an oxide layer, a nitride layer, a metallic layer or an adhesive layer.
  • the carrier material and the respective cover layer are formed as a film of predeterminable thickness and width.
  • Suitable support materials are Cu-Ni, Ni-Cr or Ni-W or titanium alloys.
  • both pure nickel and Ni-W alloys with cube texture can be used, advantageously using Ni-W alloys with ⁇ 24% by weight tungsten.
  • the metal composite is then possibly deformed in an at least one-stage cold rolling step
  • the finished rolled (clad) metal composite is subjected to at least one-stage heat treatment in order to be able to set the optimum texture in the cover layer.
  • the carrier material is formed by a metal which is defined by a Curie temperature ⁇ -196 ° C.
  • the single FIGURE shows a schematic diagram of a base material 1 to be plated, formed from a metallic carrier material B which is non-ferromagnetic in this example at the operating temperature of the superconductor.
  • the carrier material should consist of a Ni-Cr alloy composition with 20% by weight Cr , Alternatively, a Ni-W alloy with more than 24% by weight of W could also be used as the carrier material here.
  • the carrier material has a predefinable width b and a predeterminable material thickness a and is present as a film.
  • a covering layer A On both sides of the carrier material B, a covering layer A, likewise embodied as a film, is applied in this example, which in analogy to the carrier material B has a predefinable width b and a predefinable material thickness a '.
  • the respective cover layer A is formed with a sharp texture, in particular a cube texture W.
  • the material used for the cover layer in this example is an alloy based on Ni-W alloy with 14 wt .-% W used, as described for example in the above-mentioned prior art.
  • the width b of the main body 1 can move between 10 and 200 mm.
  • the total material thickness of the main body 1 can be between 20 and 1000 pm.
  • intermediate layers c can be introduced between the carrier material B and the respective cover layer A and serve, for example, as a diffusion barrier or adapter layer.
  • the basic body 1 thus formed is then shaped by mechanical roll cladding to form a metal composite.
  • the desired material thickness of the composite material can be adjusted.
  • the finished plated metal composite is then subjected to setting the desired texture of at least one stage heat treatment.
  • the substrate strip respectively the superconductor, is to be used at temperatures ⁇ -196 ° C.
  • the following materials may be used as carrier materials, if required:
  • Ni-Cr alloys with more than 15 wt% Cr Ni-Cr alloys with more than 15 wt% Cr
  • Ni-W alloys with more than 24 wt% W Ni-W alloys with more than 24 wt% W
  • Ti alloys The person skilled in the art will select the suitable alloy composition depending on the particular application.

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Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Substratbandes für Hochtemperatur-Supraleiter, indem ein nicht oder nur schwach ferromagnetisches metallisches Trägermaterial mit mindestens einer stark texturierten metallischen Deckschicht durch mechanisches Plattieren zu einem Metallverbund geformt wird.

Description

Verfahren zur Herstellung eines Substratbandes
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Substratbandes für Hochtemperatur-Supraleiter.
Die DE 10 2008 016 222 B4 offenbart eine Metallfolie mit (in Gew.-%) Ni 80 - 90 %, W 10 - 20 % sowie AI und/oder Mg und/oder B in Gehalten AI 0,0001 - max. 0,02 %, Mg 0,0001 - max. 0,015 %, B 0,0001 - max. 0,005 % sowie unvermeidbare Verunreinigungen. Die Metallfolie kann als Metallband für epitaktische Beschichtungen eingesetzt werden.
Ziel des Erfindungsgegenstandes ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines Substratbandes für Hochtemperatur-Supraleiter bereitzustellen, mit welchem Hystereseverluste vor allem im Falle von Wechselstromanwendungen, aber auch bei Anwendungen mit elektrischen oder magnetischen Wechselfeldern, möglichst gering gehalten werden können.
Darüber hinaus soll ein Substratband für Hochtemperatur-Supraleiter bereitgestellt werden, das einfach im Aufbau ist und kostengünstig hergestellt werden kann.
Das Ziel wird einerseits erreicht durch ein Verfahren zur Herstellung eines Substratbandes für Hochtemperatur-Supraleiter, indem ein nicht oder nur schwach ferromagnetisches metallisches Trägermaterial mit mindestens einer stark texturierten metallischen Deckschicht durch mechanisches Plattieren zu einem Metallverbund geformt wird.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind den zugehörigen verfahrensgemäßen Unteransprüchen zu entnehmen.
Dieses Ziel wird auch erreicht durch ein Substratband für Hochtemperatur- Supraleiter, bestehend aus einem nicht oder nur schwach ferrpmagnetischen metallischen Trägermaterial, das mit mindestens einer stark texturierten Deckschicht verbunden ist.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Substratbandes sind den zugehörigen gegenständlichen Unteransprüchen zu entnehmen.
Mit dem Erfindungsgegenstand ist es nun möglich, einen Supraleiter herzustellen, der geringe Verluste bei der Wechselstromübertragung aufweist, die durch das Ummagnetisieren des Substrats beim Durchlaufen der Stromamplituden entstehen.
Die Begriffe„ferromagnetisch" und„schwach ferromagnetisch" werden wie folgt definiert: Das Trägermaterial besitzt eine Curie-Temperatur (Übergangstemperatur ferromagnetisch - paramagnetisch), die unterhalb einer möglichen Anwendungstemperatur (momentan bei ca. -196°C) der Hochtemperatur- Supraleiter liegt und wird mit „nicht ferromagnetisch" bezeichnet. Bzw. das Trägermaterial besitzt eine Curie-Temperatur, die geringfügig oberhalb der Anwendungstemperatur liegt und wird als„schwach ferromagnetisch" bezeichnet.
Eine Temperatur „geringfügig oberhalb" ist beispielsweise -70°C unter Berücksichtigung der momentan verwendeten Anwendungstemperatur von ca. - 196°C (flüssiger Stickstoff).
Einem weiteren Gedanken der Erfindung gemäß, erfolgt die Verbindung des Trägermaterials mit der Deckschicht durch Walzplattieren.
Vorteilhafterweise kann der Metallverbund anschließend einer mindestens einstufigen Kaltwalzung unterzogen werden.
Je nach Anwendungsfall kann es sinnvoll sein, vor dem Plattieren auf dem Trägermaterial eine Zwischenschicht aufzubringen. Selbige kann als Diffusionsbarriere oder Adapterschicht dienen und, einem weiteren Gedanken der Erfindung gemäß, durch eine Oxidschicht, eine Nitridschicht, eine metallische Schicht oder eine Klebeschicht gebildet sein.
Vorteilhafterweise wird das Trägermaterial sowie die jeweilige Deckschicht als Folie vorgebbarer Dicke und Breite ausgebildet.
Als Trägermaterialien bieten sich Cu-Ni-, Ni-Cr- oder Ni-W- oder Titan-Legierungen an.
Als Deckschichten können sowohl reines Nickel als auch Ni-W-Legierungen mit Würfeltextur eingesetzt werden, wobei vorteilhafterweise Ni-W-Legierungen mit < 24 % Gew.-% Wolfram verwendet werden.
Der Metallverbund wird daraufhin ggf. in einem mindestens einstufigen Kaltwalzschritt verformt
Einem weiteren Gedanken der Erfindung gemäß wird der fertig gewalzte (plattierte) Metallverbund einer mindestens einstufigen Wärmebehandlung unterzogen, um die optimale Textur in der Deckschicht einstellen zu können.
Von Vorteil kann es auch sein, wenn das Trägermaterial durch ein Metall gebildet wird, das durch eine Curie-Temperatur < -196°C definiert ist.
Der Erfindungsgegenstand ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung dargestellt und wird wie folgt beschrieben.
Die einzige Figur zeigt als Prinzipskizze ein zu plattierendes Grundmaterial 1 , gebildet aus einem in diesem Beispiel bei der Betriebstemperatur des Supraleiters nicht ferromagnetischen metallischen Trägermaterial B. In diesem Beispiel soll das Trägermaterial aus einer Ni-Cr-Legierungszusammensetzung mit 20 Gew.-% Cr bestehen. Alternativ könnte hier auch eine Ni-W-Legierung mit mehr als 24 Gew.- % W als Trägermaterial eingesetzt werden. Das Trägermaterial hat eine vorgebbare Breite b und eine vorgebbare Materialstärke a und liegt als Folie vor. Auf beiden Seiten des Trägermaterials B wird in diesem Beispiel eine, ebenfalls als Folie ausgebildete Deckschicht A aufgebracht, die in Analogie zum Trägermaterial B eine vorgebbare Breite b sowie eine vorgebbare Materialstärke a' aufweist. Die jeweilige Deckschicht A ist mit einer scharfen Textur, insbesondere einer Würfeltextur W, ausgebildet. Als Material für die Deckschicht soll in diesem Beispiel eine Legierung auf Basis von Ni-W-Legierung mit 14 Gew.-% W zum Einsatz gelangen, wie sie beispielsweise im eingangs angeführten Stand der Technik beschrieben ist.
Die Breite b des Grundkörpers 1 kann sich zwischen 10 und 200 mm bewegen. Die Gesamtmaterialstärke des Grundkörpers 1 kann zwischen 20 und 1000pm betragen.
In Abhängigkeit vom Anwendungsfall können zwischen dem Trägermaterial B und der jeweiligen Deckschicht A Zwischenschichten c eingebracht werden, die beispielsweise als Diffusionsbarriere oder Adapterschicht dienen. Der so gebildete Grundkörper 1 wird anschließend durch mechanisches Walzplattieren zu einem Metallverbund geformt. Durch eine zumindest zweistufige Kaltwalzplattierung kann die gewünschte Materialstärke des Materialverbunds eingestellt werden. Der fertig plattierte Metallverbund wird anschließend zur Einstellung der gewünschten Textur einer zumindest einstufigen Wärmebehandlung unterzogen.
Soll das Substratband, respektive der Supraleiter, bei Temperaturen <- 196°C eingesetzt werden, können bedarfsweise als Trägermaterialien folgende Werkstoffe verwendet werden:
Cu-Ni-Legierungen mit mehr als 50 Gew-% Cu,
Ni-Cr-Legierungen mit mehr als 15 Gew-% Cr,
Ni-W-Legierungen mit mehr als 24 Gew-% W,
Ti-Legierungen. Der Fachmann wird in Abhängigkeit vom jeweiligen Anwendungsfall die geeignete Legierungszusammensetzung auswählen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Substratbandes für Hochtemperatur- Supraleiter, indem ein nicht oder nur schwach ferromagnetisches metallisches Trägermaterial (B) mit mindestens einer stark texturierten metallischen Deckschicht (1 ) durch mechanisches Plattieren zu einem Metallverbund geformt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung des Trägermaterials (B) mit der mindestens einen Deckschicht (1 ) durch Walzplattieren erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallverbund einer Kaltwalzung unterzogen wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Plattierung auf dem Trägermaterial (B) eine Zwischenschicht (c) aufgebracht wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial (B) als Folie vorgebbarer Dicke (a) und Breite (b) ausgebildet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (A) als Folie vorgebbarer Dicke (a') und Breite (b) ausgebildet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Deckschicht (A) mit einer scharfen Textur, insbesondere einer Würfeltextur (W), ausgebildet wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der fertig gewalzte Metallverbund einer zumindest einstufigen Wärmebehandlung unterzogen wird.
9. Substratband für Hochtemperatur-Supraleiter, bestehend aus einem nicht oder nur schwach ferromagnetischen metallischen Trägermaterial (B), das mit mindestens einer stark texturierten Deckschicht (A) verbunden ist.
10. Substratband nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial (B) und die mindestens eine Deckschicht (A) als Folie vorgebbarer Dicke (a,a') und Breite (b) ausgebildet ist.
11. Substratband nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Deckschicht (A) eine geringere Dicke (a') als das Trägermaterial (B) aufweist.
12. Substratband nach einem der Ansprüche 9 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial (B) beidseitig mit einer Deckschicht (A) versehen ist, wobei die Dicke (a) des Trägermaterials (B) die Gesamtdicken (a') der Deckschichten (A) übersteigt.
13. Substratband nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial (B) aus einer Cu-Ni-, einer Ni-Cr-, einer Ni-W-oder einer Titan-Legierung besteht.
14. Substratband nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Deckschicht (A) aus reinem Nickel oder einer Ni-W- Legierung, insbesondere einer Ni-W-Legierung mit < 24 Gew.-% W, mit Würfeltextur (W) besteht.
15. Substratband nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Deckschicht (A) aus reinem Nickel oder einer Ni-W- Legierung, insbesondere einer Ni-W-Legierung mit > 24 Gew.-% W, mit Würfeltextur (W) besteht.
16. Substratband nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Trägermaterial (B) und mindestens einer der Deckschichten (A) eine Zwischenschicht (c), insbesondere eine Oxidschicht, eine Nitridschicht, eine metallische Schicht oder eine Klebeschicht angeordnet ist.
17. Substratband nach einem der Ansprüche 9 bis 16, wobei das Trägermaterial nur durch ein Metall mit einer Curie-Temperatur < - 96°C definiert ist.
18. Substratband nach einem der Ansprüche 9 bis 17 für den Einsatz bei Anwendungen mit magnetischen oder elektrischen Wechselfeldern.
19. Substratband nach einem der Ansprüche 9 bis 18 für den Einsatz bei Wechselstromanwendungen .
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