DE19612274B4

DE19612274B4 - Verfahren zur Herstellung eines supraleitfähigen Drahtes mit Nb3Sn

Info

Publication number: DE19612274B4
Application number: DE19612274A
Authority: DE
Inventors: Sakaru Endoh; Itaru Inoue
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 1994-09-29
Filing date: 1996-03-28
Publication date: 2004-07-08
Anticipated expiration: 2016-03-29
Also published as: DE19612274A1; JPH0896633A; JP3124448B2

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines supraleitfähigen zusammengesetzten Strangs mit Nb₃Sn, repräsentierend eine A₃B-Typ-Verbindung, das folgende Schritte umfaßt:
a) Positionieren eines oder mehrerer Nb-Kernmaterialien (1) in einem Knüppel (2) aus einer Cu-Sn-Legierung;
b) Bilden einer reinen Cu-Lage (3) auf der äußeren Peripherie des Knüppels (2) aus einer Cu-Sn-Legierung durch Einsetzen des Knüppels in ein Cu-Rohr (3), mit einem Verhältnis der Querschnittsfläche der reinen Cu-Lage zu der Querschnittsfläche des mit den Nb-Kernmaterialien (1) zusammengesetzten Knüppels aus der Cu-Sn-Legierung von 0,03 bis 0,1;
c) Isostatisches Warmpressen des Cu-Rohrs des zusammengesetzten Knüppels;
d) Ziehen des zusammengesetzten Knüppels zu einem zusammengesetzten Strang mit einem vorbestimmten Durchmesser, wobei gleichzeitig ein Oberflächendrahtziehen angewandt wird, so daß die reine Cu-Lage (3) vollständig entfernt wird und
e) Aussetzen des zusammengesetzten Strangs einer Diffusionswärmebehandlung, um eine Nb₃Sn-Verbindung zu erzeugen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines supraleitfähigen Drahtes bzw. Supraleiters mit Nb₃Sn, repräsentierend eine A₃B-Typ-Verbindung.

Eine surpraleitende A₃B-Typ-Verbindung (auch supraleitende A15-Typ-Verbindung genannt), wie beispielsweise Nb₃Sn, Nb₃Al und V₃Ga, ist eine intermetallische Verbindung und ziemlich schwierig zu verarbeiten, um daraus supraleitfähige Drähte herzustellen. Herkömmlicherweise wird ein Herstellungsverfahren verwendet, bei dem ein zusammengesetzer Knüppel aus einem Metall A mit einem hohen Schmelzpunkt und einem Metall B mit einem niedrigen Schmelzpunkt, die den oben erwähnten Supraleiter mit A₃B-Typ-Verbindung bilden, zu einem zusammengesetzten Draht gezogen werden und das Material des zusammengesetzten Drahtes zur Diffusion einer Wärmebehandlung unterzogen wird; wobei das oben erwähnte niedrigschmelzende Metall B eindiffundiert und mit dem oben erwähnten hochschmelzenden Metall A reagiert, um einen Supraleiter bzw. supraleitfähigen Draht mit obiger A₃B-Typ-Verbindung zu erzeugen.

Ein Verfahren zur Herstellung eines supraleitenden Nb₃Sn-Drahtes, der ein typischer Supraleiter mit A₃B-Typ-Verbindung ist, ist das bekannte Bronzeverfahren. Das Verfahren zur Herstellung eines supraleitenden Nb₃Sn-Drahtes mit dem Bronzeverfahren wird im weiteren beschrieben. in einem Stab aus einer Cu-Sn-Legierung (im weiteren als Bronze bezeichnet) sind Bohrungen ausgebildet, die im weiteren als Matrix dienen. In jede Bohrung wird ein Nb- Kernmaterial eingesetzt, um einen zusammengesetzten Knüppel zu bilden. Der zusammengesetzte Knüppel wird zum Herstellen eines zusammengesetzten Drahtes gezogen, beispielsweise durch Extrudieren oder Drahtziehen. Wahlweise wird der oben erwähnte zusammengesetzte Knüppel als ein zusammengesetzter Primär-Knüppel verwendet, der zum Bilden eines zusammengesetzten Sekundär-Knüppels (zusammengesetzter Endknüppel), in eine äußere Hülle, beispielsweise eine Bronze-Röhre oder eine reine Cu-Röhre, eingelegt wird und wobei der zusammengesetzte Sekundär-Knüppel zu einem zusammengesetzten Draht gezogen wird.

Zum Bilden eines zusammengesetzten Knüppels höherer Ordnung wird der zusammengesetzte Draht in einigen Fällen gelegentlich als Strang verwendet. Um die Packungsdichte beim Zusammenbau des zusammengesetzten Knüppels zu vergrößern, hat der Strang wünschenswerterweise einen hexagonalen Querschnitt. Für den Fall, daß ein zusammengesetzter Strang durch Drahtziehen mit einem vorgeschriebenen Durchmesser hergestellt wurde, wird der Strang zum Ändern des kreisförmigen Querschnittes in einen annähernd hexagonalen Querschnitt beispielsweise gezogen oder gerollt.

Das oben erwähnte, zusammengesetzte Drahtmaterial hat eine Struktur mit Nb-Fasern bzw. Drähten, die in einem Matrixmetall eingelagert sind. Während das zusammengesetzte Drahtmaterial zur Diffusion einer Wärmebehandlung durch Erhitzen bei 550°C bis 700°C unterzogen wird, diffundiert das Sn in der Bronze und reagiert mit der Nb-Faser, um so Nb₃Sn zu erzeugen. Somit wird aus der Nb-Faser eine supraleitfähige Nb₃Sn-Faser, aus der ein supraleitfähiger Draht, dessen Struktur eine Vielzahl von Kernen aufweist, entsteht. Es gibt auch den sogenannten äußeren Diffusionsprozeß, bei dem die äußere Peripherie des obigen zusammengesetzten Drahtmaterials mit Sn überzogen ist, und anschließend eine Diffusionswärmebehandlung erfolgt.

Mittlerweile wird ein Stützmetall zur Vergrößerung der Beständigkeit des supraleitfähigen Zustandes eines supraleitfähigen Drahtes im allgemeinen im mittleren oder äußersten Teil des supraleitfähigen Drahtes positioniert. Wenn zum Herstellen eines supraleitfähigen Drahtes eine Cu-Röhre als äußere Hülle beim Zusammenbau des obigen zusammengesetzten Endknüppels verwendet wird dient diese, positioniert am äußersten Teil, als Stützmetall. Falls ein reiner Cu-Stab oder dergleichen in der Mitte des zusammengesetzten Knüppels positioniert wird, dient dieser wahlweise als ein in der Mitte des supraleitfähigen Drahtes positioniertes Stützmetall. Desweiteren wird ein Verfahren verwendet, bei dem ein Nb-Barrierenmaterial oder ein Ta-Barrierenmaterial an der Schnittstelle zwischen der oben erwähnten reinen Cu-Röhre oder dem reinen Cu-Stab und der Bronzeröhre positioniert ist und dadurch verhindert, daß das Sn in der Bronze der Bronzeröhre in das Stützmetall eindiffundiert.

Der supraleitfähige Draht mit einem in der Mitte positionierten Stützmetall wird oft als supraleitfähiger Draht beispielsweise für supraleitende Magnete verwendet. Dies ist erforderlich, da die Nb₃Sn-Fasern bzw. Drähte zum Verbinden der Enden der supraleitfähigen Drähte ausgelegt sein müssen.

Beim Herstellen eines supraleitfähigen Drahtes aus einer A₃B-Typ-Verbindung neigt die B-Metall-Legierung als Matrixmetall dazu, während der Kaltverarbeitung aufgrund ihres schlechten Dehnungsvermögens zu zerbrechen oder zu zerreißen. Falls die A₃B-Typ-Verbindung Nb₃Sn ist, neigt diese, da in der Bronze (Cu-Sn) enthaltene Cu-Sn-Verbindung ein sehr geringes Dehnungsvermögen aufweist, während der Kaltverarbeitung dazu, zu zerbrechen oder zu zerreißen. Wenn eine Bronze mit einer geringen Konzentration von Sn verwendet wird, kann die Reduzierung der Bearbeitungsfähigkeit einigermaßen vermieden werden, aber die zur Bildung von Nb₃Sn notwendige Diffusion von Sn wird ungenügend, so daß ein supraleitfähiger Draht mit hochwertigen Eigenschaften nicht erlangt werden kann.

In den letzten Jahren wird in vielen Fällen eine Bronze mit einem Sn-Anteil von 14 Gew.-% oder mehr verwendet. Falls eine solche Bronze mit einem hohen Sn-Inhalt verwendet wird, gibt es – da der oben erwähnte Cu-Sn-Anteil in großer Menge enthalten ist – die Probleme, daß die Bearbeitungsfähigkeit schlecht ist und der Draht. während des Drahtziehens zum Brechen oder dergleichen neigt. Daher ist es erforderlich, die Bearbeitungsfähigkeit des Matrixmetalls zu verbessern.

Aus der DE 28 35 974 B2 und der DE 42 08 678 A1 ist die sogenannte Bronzetechnik bzw. das sogenannte Bronzeverfahren bekannt, wobei zur Herstellung eines supraleitfähigen Drahtes mit einer A₃B-Typ-Verbindung A-Metall- Kernmaterialien in eine B-Metall-Legierungsmatrix eingebracht, einer querschnittsvermindernden Bearbeitung unterzogen und anschließend zum Ausbilden der intermetallischen supraleitfähigen Phase A₃B durch Diffusion einer Glühbehandlung unterzogen werden. Darüber hinaus ist es aus der DE 28 35 974 B2 und der DE 42 08 678 A1 bekannt, mehrere so zusammengesetzte Matrixelemente zusammenzufassen, einer querschnittsvermindernden Bearbeitung und anschließend zur Diffusion einer Glühbehandlung zu unterziehen.

Aus der DE 32 03 222 C2 ist ein Knüppel zur Herstellung eines supraleitfähigen Drahtes bekannt, wobei der Knüppel auf einem um einen Kernstab aus Kupfer gerollten Laminat mit einer Bronzeschicht unter einer Schicht aus gestrecktem Niob-Metall gewickelt wird. Der so gewickelte Knüppel wird dann mit einer als Diffusionssperre wirkenden Schicht aus einem Streckmaterial versehen, auf welcher eine Kupferumhüllung zur Erleichterung der Verarbeitung des so gefertigten Drahtes hinsichtlich einer querschnittsvermindernden Bearbeitung aufgebracht wird.

Aus der US 45 32 703 ist ein Verfahren zur Herstellung eines supraleittähigen Drahtes mit einer A₃B-Verbindung bekannt, wobei das mit mehreren A-Metall-Kernmaterialien versehene Matrixmaterial auf einer B-Metall-Legierung mit einer als Diffusionsbarriere dienenden Schicht und einer darauf angeordneten Kupferumhüllung versehen wird, welche die Bearbeitungsfähigkeit des zu fertigenden supraleitfähigen Drahtes hinsichtlich einer querschnittsvermindernden Bearbeitung verbessern soll.

Die DE 27 33 511 C3 offenbart, ein mit Kernmaterialien versehenes Matrixmaterial mit einer Hülle aus hochreinem Aluminium und diese wiederum mit einer Hülle aus Kupfer zu versehen und aus diesem Verbund einen Draht zu ziehen.

Die US 51 74 830 offenbart einen supraleitfähigen Draht, wobei ein A-Metall-Kern von mehreren A-Metall enthaltenen Legierungen umschichtet wird, welche wiederum von einer A-Metall-Diffusionsbarriere und schließlich von einer Kupferhülle umgeben werden.

Unter Berücksichtigung des obigen Standes der Technik wurden intensive Studien durchgeführt, die zu der vorliegenden Erfindung führten. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines supraleitfähigen Drahtes mit einer A₃B-Typ-Verbindung bereitzustellen, ohne gerade die bei der Handhabung eines Matrixmaterials mit einer schlechten Bearbeitungsfähigkeit, wie beispielsweise einer Bronze mit einer hohen Sn-Konzentration, auftretenden Probleme.

Eine erste Ausführung der vorliegenden Erfindung stellt ein Verfahren zur Herstellung eines supraleitfähigen zusammengesetzten Strangs mit Nb₃Sn, repräsentierend eine A₃B-Typ-Verbindung bereit, das folgende Schritte umfaßt:

a) Positionieren eines oder mehrerer Nb-Kernmaterialien in einem Knüppel aus einer Cu-Sn-Legierung;
b) Bilden einer reinen Cu-Lage auf der äußeren Peripherie des Knüppels aus einer Cu-Sn-Legierung durch Einsetzen des Knüppels in ein Cu-Rohr mit einem Verhältnis der Querschnittsfläche der reinen Cu-Lage zu der Querschnittsfläche des mit den Nb-Kernmaterialien zusammengesetzten Knüppels aus der Cu-Sn-Legierung von 0,03 bis 0,1;
c) Isostatisches Warmpressen des Cu-Rohrs des zusammengesetzten Knüppels;
d) Ziehen des zusammengesetzten Knüppels zu einem zusammengesetzten Strang mit einem vorbestimmten Durchmesser, wobei gleichzeitig ein Oberflächendrahtziehen angewandt wird, so daß die reine Cu-Lage vollständig entfernt wird und
e) Aussetzen des zusammengesetzten Strangs einer Diffusionswärmebehandlung, um eine Nb₃Sn-Verbindung zu erzeugen.

Eine zweite Ausführung der vorliegenden Erfindung stellt ein Verfahren zur Herstellung eines supraleitfähigen Drahtes mit Nb₃Sn, repräsentierend eine A₃B-Typ-Verbindung bereit, das folgende Schritte umfaßt:

a) Bilden einer reinen Cu-Lage auf der äußeren Oberfläche eines Bronzerohres aus einer Cu-Sn-Legierung durch Einsetzen des Bronzerohres in ein sauerstofffreies Cu-Rohr;
b) Positionieren eines auf der äußeren Oberfläche mit Nb beschichteten sauerstofffreien Kupferstabes in der Mitte des Bronzerohres;
c) Einsetzen einer Vielzahl zusammengesetzter Stränge, die gemäß der ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung hergestellt sind, in den Freiraum zwischen dem Bronzerohr und dem Kupferstab, wobei ein zusammengesetzter Sekundär-Knüppel ausgebildet wird;
d) Extrudieren und Drahtziehen des zusammengesetzten Sekundär-Knüppels und Entfernen der reinen Cu-Lage durch Oberflächendrahtziehen während des Drahtziehens zu einem zusammengesetzten Draht; und
e) Aussetzen des zusammengesetzten Drahts einer Diffusionswärmebehandlung, um eine Nb₃Sn-Verbindung zu erzeugen.

1 zeigt eine Ansicht eines zusammengesetzten Primär-Knüppels gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt in einer Ansicht den Zustand, in dem ein zusammengesetzter Sekundär-Knüppel gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zusammengesetzt wird.
In einer ersten Ausführung wird eine reine Cu-Lage mit guter Bearbeitungsfähigkeit auf der äußeren Peripherie eines einzelnen zusammengesetzten Knüppels bereitgestellt, so daß die Oberfläche des Drahtmaterials beim Drahtziehen kaum zu zerbrechen oder zu zerreißen ist.
Dementsprechend kann das Auftreten eines Bruches des Drahtmaterials unterdrückt werden, und es kann ein zusammengesetztes Drahtmaterial oder ein zusammengesetzter Strang mit einer guten Bearbeitungsfähigkeit erzeugt werden. Der Effekt einer Verbesserung in der obigen Bearbeitungsfähigkeit kann auch erzielt werden, wenn eine Bronze mit einer geringen Sn-Konzentration für die B-Metall-Legierung verwendet wird. Der Effekt ist besonders bemerkenswert für den Fall, in dem eine Bronze verwendet wird, die einen Sn-Anteil von 10 Gew.-% oder mehr enthält.
Die oben erwähnte reine Cu-Lage ist so ausgebildet, daß das Verhältnis der Querschnittsfläche der reinen Cu-Lage zu der Querschnittsfläche des einzelnen zusammengesetzten Knüppels 0,03 bis 0,1 ist. Wenn das Verhältnis kleiner als 0,03 ist, kann das beim Drahtziehen auf die äußere Fläche des Drahtes einwirken, so daß die Bronze eine schlechte Bearbeitungsfähigkeit aufweist. Andererseits ist der Effekt bei einem Verhältnis über 0,1 gesättigt und der Durchmesser des zusammengesetzten Knüppels wird unnötig groß ausgebildet, was hinsichtlich der Einrichtungen bzw. Anlagen, beispielsweise für die Kapazität des Extruders, nicht vorzuziehen ist.
Die reine Cu-Lage wird während des Drahtziehens entfernt. Würden die Stränge mit der einzelnen verbleibenden reinen Cu-Lage in eine äußere Hülle eingelegt werden, um einen zusammengesetzten Sekundär-Knüppel zusammenzubauen, würde der Zwischenraumfaktor des A-Metalls des obigen zusammengesetzten Sekundär-Knüppels, zum Beispiel ein Nb-Kernmaterial, unerwünschterweise reduziert. Da bei der Diffusionswärmebehandlung das B der B-Metall-Legierung, zum Beispiel das Sn in der Bronze, in das Nb-Kemmaterial und in die reine Cu-Lage diffundiert, würde die Versorgung mit Sn zum Herstellen von Nb₃Sn herabgesetzt werden. Darüber hinaus ist es notwendig, die reine Cu-Lage vollständig zu entfernen, da ungleichmäßige Belastungen beim Drahtziehen auf den Strang einwirken, wenn Teile der reinen Cu-Lage verbleiben, die in einigen Fällen ein Brechen oder Reißen des Drahtes zur Folge haben.
Beim Entfernen der reinen Cu-Lage durch Drahtziehen soll, obwohl die oben erwähnte reine Cu-Lage beim Drahtziehen vollständig auf einmal entfernt werden kann, diese nach und nach durch wiederholtes Drahtziehen entfernt werden. In diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn die reine Cu-Lage im Hinblick auf die Bearbeitungsfähigkeit bis zum letzten Drahtziehen verbleiben darf. Die Bearbeitungsfähigkeit beim nachfolgenden Drahtziehen wird ebenfalls schlechter, wenn die reine Cu-Lage vorzeitig entfernt wird. Als ein Verfahren zum Entfernen der obigen reinen Cu-Lage während des Drahtziehens kann zum Beispiel das bekannte herkömmliche Oberflächen-Drahtziehen verwendet werden.
Das herkömmliche Oberflächen-Drahtziehen ist beispielsweise bekannt aus Nonferrous Wire Handbook, Volume 2 – Bare Wire Processing, 1981 von Otto J. Tassi, herausgegeben von THE WIRE ASSOCIATION INTERNATIONAL, INC., Guilford, Connecticut.
Erstes Ausführungsbeispiel
Im weiteren wird in Bezug auf 1 eine erste Ausführung detailliert beschrieben, wobei Nb₃Sn als eine A₃B-Verbindung hergestellt wurde.
Jeder runde Bronzestab (Länge 600 mm und Durchmesser 230 mm) bestehend aus 14 Gew.-% von Sn, 0,2 Gew.-% von Ti und der Rest im wesentlichen aus Cu wurde mit 19 Durchgangslöchern, die annähernd gleichmäßig verteilt wurden, mit einem Durchmesser von 25 mm ausgebildet und wurde dann spanabhebend bearbeitet, um eine Bronzeröhre mit einem Durchmesser entsprechend der Tabelle 1 herzustellen. Nb-Stäbe mit einem Durchmesser von 24,5 mm wurden in die Durchgangslöcher eingesetzt. Die Bronzeröhre wurde in eine sauerstofffreie Kupferröhre mit einem äußeren Durchmesser von 210 mm und einem inneren Durchmesser, dessen Wert in Tabelle 1 angegeben ist, eingesetzt. Sauerstofffreie Kupferscheiben (nicht dargestellt) wurden an gegenüberliegenden Enden der Röhre angeschweißt. Zum Bilden eines Vakuums wurde der Innenraum evakuiert und abgedichtet. Die Röhre wurde dann isostatisch warmgepreßt und spanabhebend bearbeitet, um einen äußeren Durchmesser von 200 mm zu erhalten. Der so erlangte zusammengesetzte Primär-Knüppel 4 ist in 1 dargestellt. In der Abbildung entspricht der obige Nb-Stab einem Nb-Kern, die Bronzeröhre entspricht einer Cu-Sn-Legierungs-Matrix 2, und die obige sauerstofffreie Kupferröhre entspricht einer reinen Cu-Lage 3. Der innere Durchmesser der reinen Cu-Lage und das Verhältnis der Querschnittsfläche der reinen Cu-Lage zu der Querschnittsfläche des zusammengesetzten Primär-Knüppels 4 sind in Tabelle 1 angegeben.
Um den Durchmesser auf 40 mm zu bringen, wurde der zusammengesetzte Primär-Knüppel 4 bei 650° C extrudiert und mehrfach drahtgezogen, um einen zusammengesetzten Strang mit einem Durchmesser von 2 mm zu erlangen. Gleichzeitig wurde die reine Cu-Lage durch Oberflächendrahtziehen vollständig entfernt. Der so hergestellte zusammengesetzte Strang wurde zum Herstellen eines hexagonalen Strangs weiter drahtgezogen und verformt, um einen hexagonalen Querschnitt mit einem Abstand zwischen gegenüberliegenden Seiten von 1,7 mm zu erhalten. Um einen zusammengesetzten Knüppel höherer Ordnung (zusammengesetzter Sekundär-Knüppel) aufzubauen, wurde dieser hexagonale Strang verwendet, um durch nachfolgendes Ziehen einen superleitfähigen Draht zu erzeugen.
Um die Bearbeitungsfähigkeit bei der Herstellung des zusammengesetzten Strangs vor der Montage des obigen zusammengesetzten Sekundär-Knüppels auszuwerten, wurden Beobachtungen des Aussehens des hergestellten zusammengesetzten Strangs während des Drahtziehens und Wirbelstromuntersuchungen zur Mängelerforschung durchgeführt um festzustellen, ob in der Oberfläche des zusammengesetzten Strangs Risse vorhanden waren. Der zusammengesetzte Strang in dessen Oberfläche Risse festgestellt wurden, wurde als defekt klassifiziert. Die Kalkulation der Produktionsausbeute von nicht defekten zusammengesetzten Strängen beruhte auf der Menge von Nb, die zur Montage des ursprünglichen zusammengesetzten Knüppels 4 verwendet wurde. Im weiteren wurde die Ertragsmenge (Gewicht) der erhaltenen zusammengesetzten Stränge gemessen. Diese Ergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt.
Vergleichsausführung zum ersten Ausführungsbeispiel und Ausführung nach dem bekannten Bronzeverfahren
In einer bekannten Ausführung wurde ein zusammengesetzter Strang unter Verwendung eines runden Bronzestabes ähnlich der ersten Ausführung durch Ausbilden von 19 Durchgangslöchern, die annähernd gleichmäßig verteilt wurden, mit einem Durchmesser von 25 mm hergestellt. Um einen äußeren Durchmesser von 210 mm zu bilden, wurde die Bronzeröhre spanabhebend bearbeitet. Die äußere Peripherie der Bronzeröhre wurde nicht mit einer sauerstofffreien Kupferröhre bedeckt. Ähnlich wie bei der ersten Ausführung wurde der so erhaltene zusammengesetzte Strang weiter verwendet, um einen zusammengesetzten Knüppel höherer Ordnung (zusammengesetzter Sekundär-Knüppel) aufzubauen und durch nachfolgendes Ziehen einen superleitfähigen Draht herzustellen. Es wurde eine Vergleichs-Ausführung ähnlich der ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung ausgeführt, mit der Ausnahme, daß das Querschnittsflächenverhältnis der reinen Cu-Lage den in der Tabelle 1 angegebenen Wert hatte. Die Anwesenheit oder Abwesenheit von Rissen in der Strangoberfläche, die Produktionsausbeute, und die Ertragsmengen der so erlangten zusammengesetzten Stränge der bekannten Ausführung und der Vergleichsausführung sind ebenfalls in Tabelle 1 angegeben.
Wie aus Tabelle 1 ersichtlich, weisen Nr. 1 und Nr. 2 der Ausführung der vorliegenden Erfindung im Vergleich mit Nr. 3 der bekannten Ausführung nachweislich eine wesentlich bessere Bearbeitungsfähigkeit auf, beispielsweise ist die Anzahl der Risse in der Oberfläche geringer und die Produktionsausbeute des zusammengesetzten Strangs größer. Nr. 4 der Vergleichsausführung, bei der das Querschnittsflächenverhältnis der reinen Cu-Lage 0,0268 war, zeigte eine schlechtere Bearbeitungsfähigkeit und Produktionsausbeute. Auf der anderen Seite war die Produktionsausbeute der Vergleichsausführung Nr. 5 gering, obwohl das Querschnittsflächenverhältnis der reinen Cu-Lage 0,1183 betrug und sie eine gute Bearbeitungsfähigkeit aufwies. Da die zusammengesetzten Stränge der ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung im Vergleich mit denen der bekannten Ausführung und der Vergleichsausführung eine wesentlich bessere Verarbeitungsfähigkeit und Produktionsausbeute aufweisen, ist es möglich, die Produktionskosten für supraleitfähige Drähte bzw. Leiter gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung zu reduzieren.
Zweites Ausführungsbeispiel
Im weiteren soll mit Bezug zu 2 eine zweite Ausführung erläutert werden. Jede sauerstofffreie Kupferröhre 7 mit dem in Tabelle 2 angegebenen inneren Durchmesser und einem äußeren Durchmesser von 220 mm wurde über jede Bronzeröhre 6 (bestehend aus 14 Gew.-% von Sn, 0,2 Gew.-% von Ti, und der Rest im wesentlichen aus Cu) mit dem in Tabelle 2 angegebenen äußeren Durchmesser und einem inneren Durchmesser von 180 mm, und einer Länge von 600 mm gesteckt. Der zusammengesetzte Strang (runder Draht mit einem Durchmesser von 2 mm) von Nummer 3 der obigen ersten Ausführung wurde weiter gezogen, um einen hexagonalen Strang 5 mit dem Abstand zwischen den gegenüberliegenden Seiten von 1,7 mm herzustellen. Die hexagonalen Stränge wurden, wie in der 2 dargestellt, in die Bronze-Röhre 6 eingelegt. In der Mitte der Bronzeröhre 6 wurde ein sauerstofffreier Kupferstab 9 mit einem Durchmesser von 90 mm, der von einer Nb-Folie 8 mit einer Dicke von 1 mm umwickelt wurde, positioniert.
Dann wurden sauerstofffreie Kupferscheiben (nicht dargestellt) an gegenüberliegenden Enden angeschweißt. Um den äußeren Durchmesser auf 200 mm zu bringen, wurde die Röhre isostatisch warmgepreßt und spanabhebend bearbeitet. Auf der äußeren Peripherie des so erlangten zusammengesetzten Sekundär-Knüppels war eine reine Cu-Lage entsprechend der obigen sauerstofffreien Kupferröhre vorhanden. Der innere Durchmesser der reinen Cu-Lage und das Verhältnis der Querschnittsfläche der reinen Cu-Lage zu der Querschnittsfläche des zusammengesetzten Sekundär-Knüppels sind in Tabelle 2 angegeben. Um den Durchmesser auf 40 mm zu bringen, wurde der zusammengesetzte Sekundär-Knüppel bei 650°C extrudiert und mehrfach drahtgezogen, um schließlich einen zusammengesetzten 0,8-mm-Draht zu erhalten. Während des Drahtziehens wurde die oben erwähnte reine Cu-Lage durch Oberflächendrahtziehen vollständig entfernt. Die Untersuchungsergebnisse der Beobachtung von Erscheinungen während des Drahtziehens und die Untersuchung von Rissen in der Oberfläche des zusammengesetzten Stranges durch Wirbelstromuntersuchungen zur Mängelerforschung, die Produktionsausbeute berechnet auf der Basis der beim Zusammenbau des zusammengesetzten Sekundär-Knüppels verwendeten Menge von Nb und die Ertragsmenge (Gewicht) der so erhaltenen supraleitfähigen Drähte bzw. Leiter sind in Tabelle 2 angegeben.
Ausführung nach dem bekannten Bronzeverfahren und Vergleichsausführung zum zweiten Ausführungsbeispiel
In einer bekannten Ausführung wurde ein zusammengesetzter Sekundär-Knüppel ähnlich der zweiten Ausführung der vorliegenden Erfindung gefertigt, außer daß die Bronzeröhre 6 anstatt mit einer sauerstofffreien Kupferröhre 7 mit einer Bronzeröhre (bestehend aus 14 Gew.-% von Sn, 0,2 Gew.-% von Ti, und der Rest im wesentlichen aus Cu) mit einer Länge von 600 mm, einem inneren Durchmesser von 180 mm und einem äußeren Durchmesser von 220 mm bedeckt wurde, und ein zusammengesetztes Drahtmaterial ähnlich der Ausführung der vorliegenden Erfindung angefertigt wurde. In einer Vergleichsausführung wurde die zweite Ausführung der vorliegenden Erfindung wiederholt, mit der Ausnahme, daß das Querschnittsflächenverhältnis der reinen Cu-Lage den in der Tabelle 2 angegebenen Wert hatte. Die Ergebnisse der Untersuchungen von Rissen in der Oberfläche, der Produktionsausbeute, und der Ertragsmenge der supraleitfähigen Drähte der bekannten Ausführung und der Vergleichsausführung sind ebenfalls in Tabelle 2 angegeben.
Wie aus Tabelle 2 ersichtlich, führen Nr. 6 und Nr. 7 der zweiten Ausführung der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu Nr. 8 der bekannten Ausführung zu einer wesentlich besseren Bearbeitungsfähigkeit, beispielsweise ist die Anzahl der Risse in der Oberfläche gering und die Produktionsausbeute hoch. In Nr. 9 der Vergleichsausführung, bei der das Querschnittsflächenverhältnis der reinen Cu-Lage 0,0258 war, waren viele Risse in der Fläche des Strangs festzustellen und die Bearbeitungsfähigkeit und die Produktionsausbeute geringer. Auf der anderen Seite war die Produktionsausbeute geringer, obwohl die Bearbeitungsfähigkeit in Nr. 10 der Vergleichsausführung, bei der das Querschnittsflächenverhältnis der reinen Cu-Lage 0,1089 betrug, besser.
Das Verfahren zur Herstellung eines supraleittähigen Nb₃Sn-Drahtes, gemäß der vorliegenden Erfindung gestattet die Herstellung von supraleitfähigen Drähten bzw. Leitern, wie bereits erläutert, sowohl mit einer hohen Produktionsausbeute als auch einer hohen Qualität und verbessert darüber hinaus die Produktivität und liefert damit einen bemerkenswerten Beitrag für die Industrie.

1: A-Metall
2: B-Metall-Legierung
3: Cu-Lage
4: Primär-Knüppel
5: hexagonaler Strang
6: Bronzeröhre
7: Cu-Röhre
8: Nb-Folie
9: Kupferstahl

Claims

Verfahren zur Herstellung eines supraleitfähigen zusammengesetzten Strangs mit Nb₃Sn, repräsentierend eine A₃B-Typ-Verbindung, das folgende Schritte umfaßt: a) Positionieren eines oder mehrerer Nb-Kernmaterialien (1) in einem Knüppel (2) aus einer Cu-Sn-Legierung; b) Bilden einer reinen Cu-Lage (3) auf der äußeren Peripherie des Knüppels (2) aus einer Cu-Sn-Legierung durch Einsetzen des Knüppels in ein Cu-Rohr (3), mit einem Verhältnis der Querschnittsfläche der reinen Cu-Lage zu der Querschnittsfläche des mit den Nb-Kernmaterialien (1) zusammengesetzten Knüppels aus der Cu-Sn-Legierung von 0,03 bis 0,1; c) Isostatisches Warmpressen des Cu-Rohrs des zusammengesetzten Knüppels; d) Ziehen des zusammengesetzten Knüppels zu einem zusammengesetzten Strang mit einem vorbestimmten Durchmesser, wobei gleichzeitig ein Oberflächendrahtziehen angewandt wird, so daß die reine Cu-Lage (3) vollständig entfernt wird und e) Aussetzen des zusammengesetzten Strangs einer Diffusionswärmebehandlung, um eine Nb₃Sn-Verbindung zu erzeugen.
Verfahren zur Herstellung eines supraleitfähigen zusammengesetzten Strangs mit Nb₃Sn nach Anspruch 1, welches des weiteren die Schritte eines Anschweißens einer sauerstofffreien Cu-Scheibe an den gegenüberliegenden Enden des Cu-Rohres (3) und eines Evakuierens des Innenraumes des Cu-Rohrs (3) zum Bilden eines Vakuums vor dem isostatischen Warmpressen umfaßt.
Verfahren zur Herstellung eines supraleitfähigen zusammengesetzten Strangs mit Nb₃Sn nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Knüppel aus einer Cu-Sn-Legierung ist, die nicht weniger als 10 Gew.-% Sn enthält.
Verfahren zur Herstellung eines supraleittähigen Drahtes mit Nb₃Sn, repräsentierend eine A₃B-Typ-Verbindung, das folgende Schritte umfaßt: a) Bilden einer reinen Cu-Lage auf der äußeren Oberfläche eines Bronzerohres (6) aus einer Cu-Sn-Legierung durch Einsetzen des Bronzerohres (6) in ein sauerstofffreies Cu-Rohr (7); b) Positionieren eines auf der äußeren Oberfläche mit Nb (8) beschichteten sauerstofffreien Kupferstabes (9) in der Mitte des Bronzerohres (6); c) Einsetzen einer Vielzahl zusammengesetzter Stränge, die nach einem der Ansprüche 1 bis 3 hergestellt sind, in den Freiraum zwischen dem Bronzerohr (6) und dem Kupferstab (9), wobei ein zusammengesetzter Sekundär-Knüppel ausgebildet wird; d) Extrudieren und Drahtziehen des zusammengesetzten Sekundär-Knüppels und Entfernen der reinen Cu-Lage durch Oberflächendrahtziehen während des Drahtziehens zu einem zusammengesetzten Draht und e) Aussetzen des zusammengesetzten Drahts einer Diffusionswärmebehandlung, um eine Nb₃Sn-Verbindung zu erzeugen.
Verfahren zur Herstellung eines supraleitfähigen Drahtes mit Nb₃Sn nach Anspruch 4, das des weiteren den folgenden Schritt umfaßt: Anschweißen von sauerstofffreien Cu-Scheiben an den gegenüberliegenden Enden des Cu-Rohrs (7).