DE1790149B1

DE1790149B1 - Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Leiters

Info

Publication number: DE1790149B1
Application number: DE19681790149
Authority: DE
Inventors: Barber Anthony Clifford; Lowe Bryan Wilfred Hodson; Hawtin Laurence Reginald
Original assignee: Imperial Metal Industries Kynoch Ltd
Current assignee: Imperial Metal Industries Kynoch Ltd
Priority date: 1967-09-28
Filing date: 1968-09-19
Publication date: 1970-10-22
Also published as: FR1581956A; GB1170645A; US3514850A; CH479966A

Description

I 790 149

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Insbesondere ermöglicht die Büchse ohne Beschä-

Herstellung eines elektrischen Leiters, bei dem we- digung der Hülle Strecken des Leiters bis zu den nigstens ein dehnbares Supraleiterelement in eine feinsten erwünschten Querschnittsabmessungen. Dawenigstens ein Metall aus der Gruppe Aluminium, bei kann im Anschluß.an die Bearbeitung die Büchse Silber, Cadmium und Blei aufweisende Hülle einge- 5 entfernt werden, um den Leiter aus Supraleiterelesetzt wird, um eine Vor-Vereinigung herzustellen, ment und Hülle freizulegen. Sofern jedoch das Mate- und bei dem sodann die Vor-Vereinigung bearbeitet rial der Büchse zum Beispiel hochleitfähiges Kupfer wird, um den Querschnitt des Supraleiterelements ist, kann es auf der Außenseite der Hülle verbleiben, und der Hülle zu verringern. Die Erfindung wird im folgenden an Hand sche-

Es ist bekannt, als Hülle hochleitfähiges Kupfer io matischer Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeizu verwenden. Auch ist es bekannt, ein Niobrohr mit spielen erläutert.

einem Bündel verzinnter Niobdrähte zu füllen und Fig. 1 ist eine Schnittansicht eines Strangpreß-

das Rohr zu einem dünnen Draht zu ziehen, den man Werkstücks eines ersten Beispiels; dann entsprechend weiterverarbeitet. Das Verarbei- F i g. 2 ist eine Querschnittsansicht des extrudier-

ten einer Vor-Vereiriigung aus einem Supraleiter- 15 ten Erzeugnisses des Werkstücks nach Fig. 1 mit element und einer ¹HuIIe bewirkt, daß der Kontakt einer äußeren Büchse;

zwischen dem Supraleiterelement und der Hülle den Fig. 3 zeigt in schaubildlicher Darstellung in

geringstmöglichen elektrischen und thermischen stark vergrößertem Maßstab die Vereinigung nach Widerstand besitzt. * SJ * - ^:- ■ F i g. 2 nach dem Ziehen;

Für das Verarbeiten der Vor-Vereinigung ist es zo Fig. 4 ist eine Schnittansicht eines Strangpreßnotwendig, daß die betreffenden Metalle sich ange- Werkstücks einer Modifikation des ersten Beispiels; nähert in derselben Größenordnung zusammen ver- Fig. 5 zeigt in schaubildlicher Darstellung ein

formen können. Dies ist der Fall für hochleitfähiges Werkstück eines weiteren Beispiels der Erfindung; Kupfer und dehnbare Supraleiterlegierungen. Schwie- Fig. 6 zeigt in stark vergrößertem Maßstab eine

rigkeiten bei der Verarbeitung der Vor-Vereinigung 25 Endansicht einer Vereinigung unter Verwendung des treten jedoch bei weicheren Metallen wie Aluminium, Werkstücks nach F i g. 5.

Silber, Cadmium und Blei auf, die zwar adäquate Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 3 besteht

thermische und elektrische Leitfäbigkeitswerte haben,' bei einem ersten Beispiel der Erfindung ein. Verfahaber mit Rücksicht auf die Härteunterschiede gegen- ren zur Herstellung eines elektrischen Leiters darin, über dem Supraleiterelement beim Ziehen oder 3° daß man eine Stange 10 aus einer Supraleiterlegierung Strecken keine verhältnisgleiche Querschnittsvermin- Niobium 44 Gewichtsprozent Titan nimmt, diese derung gewährleisten, und eine, metallurgische Ver- auf _eine. Temperatur _in der Größenordnung von bindung erschweren. 250 bis 650⁰C, vorzugsweise 450 bis 55O⁰C erhitzt

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der und sofort nach Erreichen dieser Temperatur in eine eingangs beschriebenen Gattung zu schaffen, das es 35 Raumtemperatur aufweisende Hülle 11 aus Alumiermöglicht, bei der Weiterverarbeitung der Vor-Ver- nium einsetzt, um das Strangpreßwerkstück nach einigung zur Herstellung eines dünnen Drahts eine F i g.- 1 zu bilden. Unmittelbar nach Beendigung gleichmäßige Querschnittsabnahme von Hülle und dieses Vorgangs wird die Supraleiterstange 10 durch Supraleiterelement zu gewährleisten. gemeinsames Extrudieren unter Anwendung eines

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das 40 Extrudierungsverhältnisses von 7 : 1 mit der AIu-. Supraleiterelement allein auf eine Temperatur.von miniumhülle 11 verbunden. Durch Erhitzen der wenigstens 25O⁰C aufgeheizt wird, daß sodann das Supraleiterstange 10 auf diese Temperatur wird seine Supraleiterelement in die Hülle eingesetzt wird, um Härte reduziert, so daß ein geringerer Unterschied die Vor-Vereinigung herzustellen, und daß unmittel· - zwischen der Härte des Aluminiums und derjenigen bar darauf die Vor-Vereinigung extrudiert wird, um 45 der Supraleiterlegierung oder supraleitenden Legiedas Supraleiterelement mit der Hülle metallurgisch rung vorliegt. Auf diese Weise können die beiden zu verbinden. Durch das Erwärmen des Supraleiter- Metalle zufriedenstellend zusammen extrudiert elements wird dessen Härte derart vermindert, daß werden.

das Extrudieren der Vor-Vereinigung in befriedigen- Die AluminiumhüUe wird dann mit einer Büchse

der Weise ausgeführt werden kann und sich zwischen 50 12 aus hochleitfähigem Kupfer versehen, indem sie den beiden Materialien eine sehr gute metallurgische in ein Rohr aus letzterem Material gepreßt wird. Bei Verbindung ergibt. Diese Bindung hat erhebliche diesem typischen Beispiel beträgt der Durchmesser Bedeutung, und zwar darin, daß Hülle und Supra- der auf diese Weise erzeugten Vereinigung etwa leiterelement im gleichen Verhältnis zueinander in 5,08 cm, wobei die Supraleiterstange oder supraden Querschnittsabmessungen vermindert werden 155 leitende Stange einen Durchmesser von etwa; 2,54 cm und daß der endgültige Leiter gute Eigenschaften und die Büchse eine Wandstärke von angenähert bei Supraleitbedingungen besitzt, was durch guten 0,318 cm besitzt. Diese ist in Fig. 2 gezeigt, elektrischen und thermischen Kontakt zwischen Die Verwendung der Büchse 12 rund um die

Supraleiterelement und Hülle erleichtert wird. Außenseite der -Weichaluminiumhülle 11 ermöglicht

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Vor-Ver- 60 es, daß die Vereinigung in üblicher Weise als Einheit einigung vor dem Extrudieren mit einer die Hülle stüt- weiterbehandelt werden kann. Somit wird das zenden äußeren Büchse aus einem dehnbaren Mate- Vorderende gesenkgeschmiedet und durch so viele rial versehen und die sich ergebende Vereinigung Formen gezogen, wie zur Verringerung auf die erunmittelbar darauf extrudiert wird, um die Hülle und forderlichen Querschnittsabmessungen notwendig ist. das Supraleiterelement miteinander zu verbinden. 65 Auf diese Weise wird eine große Länge eines zusam-Dureh diese Büchse wird die gleichmäßige Quer- mengesetzen Suprualeiterdrahtes oder supraleitenden schnittsabnahme der Bestandteile unterstützt und Drahts erzeugt, wie er in F i g. 3 gezeigt ist. insbesondere die Hülle geschützt. ;γϋ f.- -Ohne, dje?V&rsßadung der Büchse 12 würde das

weiche Aluminium in größerem Ausmaß in seinen Querschnittsabm'essungen vermindert als die relativ harte Supraleiterlegierung. Es wird angenommen, daß das Aluminium mit Rücksicht darauf, daß es sich mit der Büchse in Berührung befindet und von dieser umschlossen ist, an einer relativen Bewegung gehindert wird und durch die beiden einander gegenüberliegenden Flächen des Supraleitermaterials oder supraleitenden Materials der Büchse gestützt wird.

Nach Wunsch kann die hochleitfähige Kupferbüchse 12 auf der Außenseite der Hülle 11 verbleiben, so daß sie die Stabilisierungswirkung des Aluminiums unterstützt, die Festigkeit erhöht und außerdem das verhältnismäßig weiche Aluminium vor Beschädigung während der Behandlung schützt;, die ig Büchse kann jedoch auch entfernt werden, falls dies erforderlich ist. Sonach kann bei einer Modifikation der Erfindung, bei der die Büchse gegebenenfalls entfernt werden soll, das verhältnismäßig teure Kupfer durch ein anderes schützendes Metall, wie zum Beispiel Schmiedeeisen ersetzt werden, das dann nach dem Bearbeiten entfernt wird. Das Entfernen kann in jeder beliebigen herkömmlichen Weise vollzogen werden, wobei Beschädigung des Aluminiums zu verhindern ist; soll Kupfer entfernt werden, so kann der Leiter durch Salpetersäure geführt werden, um das Kupfer wegzuätzen.

Bei diesem Beispiel wurde als das »Weichmetall« Aluminium unter den Möglichkeiten von Aluminium, Silber, Cadmium, Indium, Blei und Zinn gewählt, da es verhältnismäßig billig ist; es können jedoch auch diese anderen Metalle verwendet werden, sofern sie nicht bei den Temperaturen, denen sie ausgesetzt werden, schmelzen. Außerdem hat Aluminium den Vorteil, daß es einen niedrigen magnetischen Widerstand besitzt, wodurch sich sein Widerstand nicht um ein wesentliches Maß erhöht, wenn sich das magnetische Feld, dem es ausgesetzt wird, vergrößert. Aus diesem Grund wird Aluminium gegenüber Kupfer vorgezogen, welches einen hohen magnetischen Widerstand besitzt; der Widerstand von Aluminium und hochleitendem Kupfer bei kyrogenen Temperaturen in einem Nullmagnetfeld weicht nicht in einem wesentlichen Maß voneinander ab. Da der Supraleiterdraht hohen magnetischen Feldern widerstehen soll, bedeutet dies, daß bei Verwendung von Aluminium nicht ein so großes Volumen an stabilisierendem Material vorliegen muß, um einen adäquaten Nebenschlußweg zu erzielen, wenn man mit dem Fall vergleicht, bei dem hochleitfähiges Kupfer verwendet wird. Außerdem besitzt Aluminium ein geringeres Gewicht als hochleitfähiges Kupfer.

Gemäß der Modifikation nach Fig. 4 wird ein Strangpreßwerkstück hergestellt, bei dem die erhitzte Supraleiterstange 10 in einer Aluminiumröhre 13 eingesetzt wird, die sich in einer Extrudierungsbüchse 14 aus hochleitfähigem Kupfer befindet. Das Werkstück wird sofort in einem Verhältnis von 7:1 extrudiert, bevor zuviel Wärme von der Stange 10 zur Aluminiumröhre 13 geleitet worden ist. Nach dem Extradieren ist die Vereinigung im Gegensatz zum Anbringen der Kupferbüchse in dem beim ersten Beispiel beschriebenen Stadium bereits mit der Kupferbüchse oder Kupferhülse versehen. Die Vereinigung wird dann gesenkgeschmiedet und gezogen, um den in F i g. 3 gezeigten zusammengesetzten Supraleiterdraht zu erzeugen.

Sofern Schwierigkeiten in der Erzielung einer zufriedenstellenden Verbindung zwischen dem Supraleitermaterial und dem Aluminium auftreten, kann die Hülle mit einem Innenbelag aus hochleitfähigem Kupfer versehen werden, welches das Supraleitermaterial berührt und sich mit diesem und dem weichen Aluminium der Hülle verbindet. Die Fig. 5 verdeutlicht diese Vereinigung und zeigt die Supraleiterstange 16, eine Innenlage aus Kupfer 17, eine Außenlage aus Aluminium 18 und eine Kupferbüchse 19.

Der in der beschriebenen Weise hergestellte elektrische Leiter kann mit einer Mehrzahl von Fäden aus dem Supraleitermaterial versehen werden, indem der Fertigungsvorgang der Vereinigung in der Zwischenstufe gestoppt wird, die Büchse entfernt oder belassen wird, sofern sie aus hochleitfähigem Kupfer besteht, eine Anzahl von Längen der Vereinigung in einer weiteren Büchse gebündelt und dann die vollständige Einheit gemeinsam weiterbehandelt wird. Ist das ursprünghche Büchsenmaterial hochleitfähiges Kupfer und besteht die Büchse der neuen Vereinigung aus demselben Material, so muß die gemeinsame Bearbeitung anfänglich bei wenigstens 300 ⁰C ausgeführt werden, um eine Bindung zwischen Kupfer und Kupfer zu erzielen. Es muß jedoch beachtet werden, daß der Schmelzpunkt von Aluminium mit Rücksicht auf die daraus folgende Durchlagwirkung nicht überschritten werden darf; dies ist auch in Hinsicht auf die gewählte Supraleiterlegierung von Bedeutung. Es kann keine Supraleiterlegierung gewählt werden, die eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur mit sich bringt, die höher als der Schmelzpunkt des gewählten weichen Metalls ist. Außerdem sollten Temperaturen vermieden werden, die das Schmelzen jeglicher zwischen dem weichen Metall und seinen benachbarten Metallen gebildeten Legierung mit sich bringen würden oder die hohe Diffusionsraten zwischen diesen fördern würden.

Die Fig. 6 zeigt einen Querschnitt des sich ergebenden Leiters, wenn sechs Längen der in bezug auf Fig. 5 beschriebenen Zusammensetzung mit Kupferfüllstücken in einer Kupferbüchse vereinigt werden und die sich ergebende Vereinigung zusammen bearbeitet wird. Man wird feststellen, daß die sich einander berührenden Kupferbestandteile vollständig miteinander verbunden sind.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Leiters, bei dem wenigstens ein dehnbares Supraleiterelement in eine wenigstens ein Metall aus der Gruppe Aluminium, Silber, Cadmium und Blei aufweisende Hülle eingesetzt wird, um eine Vor-Vereinigung herzustellen, und bei dem sodann die Vor-Vereinigung bearbeitet wird, um den Querschnitt des Supraleiterelementes und der Hülle zu verringern, dadurch gekennzeichnet, daß das Supraleiterelement allein auf eine Temperatur von wenigstens 250° C aufgeheizt wird, daß sodann das Supraleiterelement in die Hülle eingesetzt wird, um die Vor-Vereinigung herzustellen, und daß unmittelbar darauf die Vor-Vereinigung extrudiert wird, um das Supraleiterelement mit der Hülle metallurgisch zu verbinden.

2. Verfahren nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vor-Vereinigung vor dem

Extrudieren mit einer die Hülle stützenden äußeren Büchse aus einem dehnbaren Metall versehen und die sich ergebende Vereinigung unmittelbar darauf extrudiert wird, um die Hülle und das Supraleiterelement miteinander zu verbinden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vor-Vereinigung erst nach dem Extrudieren mit einer die Hülle stützenden, äußeren Büchse aus einem dehnbaren Metall versehen wird, um eine Vereinigung zu bilden. to

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vereinigung gezogen wird, um die Hülle und das Supraleiterelement miteinander metallurgisch zu verbinden.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüchej dadurch gekennzeichnet, daß das Material des dehnbaren Supraleiterelementes aus der Legierung von Niobium mit 44 Gewichtsprozent Titan besteht.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Supraleiterelement auf eine Temperatur von 250 bis 650° C erhitzt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle aus einer Außenlage aus Aluminium zur Berührung mit der Büchse und aus einer Innenlage aus Kupfer hoher Leitfähigkeit zur Berührung mit dem Supraleiterelement besteht.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Büchse aus Gußeisen oder aus Kupfer hoher Leitfähigkeit besteht.

9. Elektrischer Leiter nach dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch wenigstens einen Supraleiterkern (10,16) mit einer Hülle (11,13,18), die wenigstens ein Metall aus der Gruppe Aluminium, S2-ber, Cadmium und Blei aufweist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen