DE2130380A1

DE2130380A1 - Verfahren bzw.Einrichtung zur Herstellung eines zusammengesetzten Supraleiters

Info

Publication number: DE2130380A1
Application number: DE19712130380
Authority: DE
Inventors: Whetstone Clay Newton; Raymond Jan Wayne
Original assignee: Cryomagnetics Corp
Current assignee: Cryomagnetics Corp
Priority date: 1970-06-18
Filing date: 1971-06-18
Publication date: 1971-12-30
Also published as: NL7108149A; FR2099186A5; BE768666A; US3794100A

Description

PATENTANWÄLTE DR.-PHIL G. NICKEL· DR.-ING. J. DORNER 2130380

8 MÖNCHEN 15

LANDWEHRSTR. 35 · POSTFACH !O4

TEL. (08 11) 555719

München, den 15. Juni 1971 Anwaltsaktenz.: 33 - Pat. 5

Cryomagnetics Corporation, 4955 Bannock Street, Denver, Colorado 8021.6, Vereinigte Staaten von Amerika

Verfahren bzw. Einrichtung zur Herstellung eines zusammengesetzten Supraleiters.

Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren und Einrichtungen zur Herstellung zusammengesetzter Supraleiter bzw. zur Herstellung von Preßbarren mit einer bestimmten Kernanordnung für die Herstellung von zusammengesetzten Supraleitern. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf die Herstellung von Supraleiter-Draht höchster Qualität.

Ein zusammengesetzter Supraleiter-Draht enthält Stränge oder Fäden aus Supraleitermaterial, welche in einen Metallträger, beispielsweise aus Kupfer, eingebettet sind und ein solcher Supraleiter-Draht wird oft durch Strangpressen aus einem Preßbarren hergestellt. Eine bestimmte Art eines Supraleiter-Drahtes enthält beispielsweise bis zu eintausend Fäden aus einer Supraleiterlegierung, welche in bestimmter Anordnung in einen gebräuchlichen Metallträger, beispielsweise aus Kupfer, eingebettet sind. Die genannten Einzelfäden sollen von einem Ende zum anderen Ende des betreffenden Drahtes oder Bandes durchgehend sein und über ihre gesamte Länge hin voneinander durch das Trägermaterial ge-

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trennt sein. Solche zusammengesetzten Bauteile werden oft nach einem Verfahren hergestellt, bei welchem zusammengesetzte Preßbarren stranggepreßt werden und nachfolgend durch Pressen, Ziehen oder Walzen zu den das Endprodukt bildenden, supraleitenden Drähten, Stäben oder Bändern weiterverarbeitet werden. Beim Strangpressen verwendete Preßbarren haben im allgemeinen die Gestalt regulärer Kreiszylinder aus dem Trägermetall, beispielsweise aus Kupfer, in welchem Stäbe aus Supraleitermaterial so angeordnet sind, daß ihre Längsachsen parallel zur Längsachse des Trägermetall-Zylinderkörpers verlaufen. Im allgemeinen hat man Preßbarren dieser Art so hergestellt, daß man in einen Kupferbolzen Löcher bohrte und diese dann mit Supraleitermaterial ausfüllte.

Eine andere Herstellungsweise bestand darin, daß in eine Anzahl von Scheiben des Trägermetalls in vorbestimmter Anordnung Löcher gebohrt wurden. Die Scheiben wurden dann so übereinandergestapelt, daß ihre Löcher fluchteten und Stäbe aus Supraleitermaterial aufnehmen konnten. Die Anordnung aus Scheiben und Stäben wurde dann zur Bildung eines Preßbarrens eingeschlossen.

Wieder ein anderes Verfahren zur Herstellung von Preßbarren sieht vor, ein Bündel von Stäben aus Trägermetall und aus Supraleitermaterial in bestimmter Anordnung zusammenzusetzen. Dieses Bündel von Stäben wird dann entweder zur Bildung eines Preßbarrens eingeschlossen oder zu einem dünneren Bündel verarbeitet, welches ψ ohne die Anwendung des Strangpreßverfahrens durch Pressen oder Ziehen zu dem Endprodukt weiterverarbeitet werden kann. Verfahren dieser Art sind in den US-Patentschriften 3 465 429 und 3 465 440 beschrieben.

Den oben erwähnten Verfahren zur Herstellung zusammengesetzter Supraleiter haften jedoch bestimmte Naohteile an. Beispielsweise ist der Material- und Kostenaufwand beim Bohren von Löchern in einen Trägermetallkörper sehr groß. Ein Ummanteln und Einschließen des Trägers und der Stäbe ist außerdem teuer. Ferner tritt

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insbesondere in Verbindung mit der Konstruktion Stapelscheibe-Stab der Nachteil in Erscheinung, daß die Supraleiterstäbe bei der Verformung oder Reduzierung in die endgültige Form zum Brechen neigen. Weiter muß in den Fällen, bei denen die Preßbarren notwendigerweise in eine Ummantelung eingeschlossen werden müssen, diese Ummantelung naoh dem Strangpressen entfernt werden oder die Ummantelung verursacht eine unerwünschte Gratbildung oder Zackenbildung an dem fertigen Draht.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, ein Verfahren bzw. eine Einrichtung zur Herstellung eines zusammengesetzten Supraleiters zu schaffen, welches bzw. welche einfach, billig und zuverlässig arbeitet und die Herstellung insbesondere von Supraleiter-Draht ermöglicht, der bedeutend höhere Qualität aufweist, als sie mit bekannten Herstellungsverfahren erreichbar ist. Diese Aufgabe umfaßt auch die Herstellung von zusammengesetzten Supraleiter-Preßbarren, welche im wesentlichen frei von irgendwelchen Fehlern sind.

Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß eine Anzahl von Stäben in bestimmter Anordnung innerhalb einer Form in eine Schmelze eines Trägermetalls gesetzt wird, daß die Schmelze kontrolliert zur Erstarrung gebracht wird und daß dann der aus der erstarrten Schmelze des Trägermetalls und der Stabanordnung gebildete Körper aus der Form entnommen wird und einen Preßbarren zur Herstellung des zusammengesetzten Supraleiters bildet.

Der Grundgedanke der Erfindung ist es also, einen Preßbarren durch einen einheitlichen Gießvorgang zu erzeugen. Bisherige Vorschläge zum Gießen von Preßbarren dieser Art haben sich praktisGh nicht bewährt, wofür ein Grund die allgemein anerkennte Annahme war, daß außerordentlich teuere und verwickelte Gießeinrichtungen notwendig seien, um ein fehlerfreies Gußstück der gewünschten Abmessungen und der gewünschten Größe herzustellen, was wegen der starken Schrumpfung und anderen bei der Verfestigung üblicher Trägermetalle auftretenden Vorgängen zu befürchten war.

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Das vorstehend angegebene Herstellungsverfahren nach der Erfindung hat eine gewisse Ähnlichkeit mit dem auf einem vollständig anderen Gebiet liegenden, mitunter zur Herstellung von Brennelementen für Kernreaktoren eingesetzten Verfahren, wie es etwa in der Veröffentlichung von A.W. Haer und R.F. Dickerson, Band 66 der Zeitschrift Transactions of American Foundrymen's Society, 1958, Seite 210 ff. beschrieben ist.

Erfindungsgemäß wird also eine Anzahl von Stäben in vorbestimmter gegenseitiger Lage zu einer Kernanordnung zusammengesetzt, welche dann innerhalb eines erhitzten Behältnisses von einer Trägermetallschmelze vorbestimmter Reinheit und Zusammensetzung umgeben wird. Der obere Teil des Behältnisses und sein Inhalt werden oberhalb des Schmelzpunktes des Trägermetalls gehalten und gleichzeitig wird mit der Mitte des Bodens des Behältnisses eine Kokillenplatte in Berührung gebracht, während die Seiten des Behältnisses in einer heißen Umgebung bleiben. Auf diese Weise erstarrt der Inhalt des Behältnisses oder Tiegels vom Boden her nach aufwärts und von der Mitte aus nach außen, so daß die Erstarrungsfront in der Gestalt eines nach oben weisenden Kegels nach aufwärts wandert. Fehler aufgrund von Schrumpfungen, Porosität und anderen Ursachen werden in dieser Weise ausgeschlossen, so daß sich ein nichtporöser, gleichförmiger Trägermetallkörper herstellen läßt. Der gegossene Preßbarren läßt sich ohne aufwendige und komplizierte Zonenschmelzanlagen, Vibrations-Gießeinrichtungen, Schleudergußanlegen oder dergleichen herstellen. Das erfindungsgemäße Verfahren arbeitet also außerordentlich billig.

Ein wichtiger Vorteil der Erfindung ist es, daß der eine Kernanordnung enthaltende Supraleiter-Preßbarren eine in hohem Maße gleichförmige Trägermetallatruktur besitzt. Werden demgegenüber mehrere Stäbe aus Trägermetall in einer Ummantelung zusammengebracht, so !bereitet es beträchtliche Schwierigkeiten,- die aus gleichem Metall !bestehenden Stäbe Bi'feeinander gut zu verbinden. Manche Autoren halten eine vollständige Verbindung zwischen den

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Trägermetallelementen nicht für notwendig, doch hat sich hei Versuchen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herausgestellt, daß eine solche vollständige Verbindung außerordentlich wichtig ist. Ein Grund dafür, daß das erfindungsgemäße Verfahren zu einem Produkt höherer Qualität führt, ist es eben, daß der Preßbarren einen gleichförmigen Metallträger besitzt, der keine Bereiche mangelhafter Verbindung aufweist. Zum besseren Verständnis der Erfindung sei hierauf nachfolgend unter Erwähnung der bekannten Verfahren näher eingegangen.

Wird ein in bestimmter Weise zusammengesetztes Bündel aus Trägermetallstäben und Supraleiterstäben in einen Behälter oder eine Ummantelung gesetzt und zusammen reduziert, so verbinden sich die duktilen aber raxten Supraleiterstäbe fast augenblicklich mit den ihnen benachbarten Stäben aus normalem Trägermetall. Einander berührende Trägermetallstäbe aber verschieben sich, gleiten und richten sich aus, wenn die Spannungen der gemeinsamen Reduzierung wirksam werden. Sie übertragen dann ungleichförmige Spannungen auf die duktilen Supraleiterfäden, so daß die resultierenden Fäden in dem zusammengesetzten Preßbarren über ihre Länge hin keinen gleichförmigen Querschnitt mehr besitzen. Sind ferner die Stäbe aus dem Trägermetall nicht vollständig gereinigt, so lassen sie sich noch weniger ausreichend gut verbinden und die resultierende Fadenanordnung wird umso ungleichförmiger. Hierdurch aber wird die kritische Stromdichte des Supraleiter-Drahtes begrenzt, welcher aus dem zusammengesetzten Preßbarren gezogen oder in anderer Weise hergestellt wird. Nachdem das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Erzeugnis gleichförmige Supraleiterfäden aufweist, liegen auch die kritischen Stromdichten bedeutend höher als bei entsprechenden zusammengesetzten Supraleitern, die nach bekannten Verfahren hergestellt worden sind.

Eine bekannte Maßnahme zur Verbesserung der Verbindung zwischen den einzelnen Trägermetallelementen eines aus Stäben in bestimm-

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ter Anordnung zusammengesetzten Preßbarrens bestand darin, den Preßbarren bei verhältnismäßig hoher Temperatur zusammenzupressen oder zu reduzieren. Derartig hohe Temperaturen haben aber die Wirkung, daß die Oberflächen des Trägermetalls mit den aktiven Gasen der umgebenden Atmosphäre reagieren, wodurch die Verbindungseigenschaften der Trägermetallteile stark verschlechtert werden und eine Verringerung der Qualität des Erzeugnisses eintritt. Bei Anwendung dieses Verfahrens hat es sich also als notwendig erwiesen, eine Vorreduzierung der zusammengesetzten Konstruktion im Vakuum oder in einer Edelgasatmosphäre oder Inertgasatmosphäre vorzunehmen. Dadurch wird dieses Verfahren aber aufwendig und teuer, was erfindungsgemäß aber gerade vermieden werden soll.

Oft ist es vorteilhaft, ein großes Längenstück eines zusammengesetzten Supraleiter-Drahtes anstelle zweier oder mehrerer kurzer Stücke zu verwenden. Große Längenstücke solcher zusammengesetzter Drähte sind aber bezüglich der unerwünschten niedrigen kritischen Stromdichte anfälliger, da eine größere Wahrscheinlichkeit besteht, daß ein langer Draht an irgend einer Stelle auf seiner Länge einen Fadenfehler besitzt. Die Erfindung bietet also außerdem den Vorteil, große Längenstücke zusammengesetzter Supraleiter-Drähte mit sehr hohen kritischen Stromdichtewerten herstellen zu können.

Eine übliche Maßnahme ist es, zusammengesetzte Supraleiter zu f verdrillen, um die nutzbare kritische Stromdichte bei Anwendung in Magneten zu erhöhen. Werden zusammengesetzte Supraleiter in dieser Weise verdrillt, so erhöht sich jedoch die Wirkung von Verbindungsfehlern am Trägermetall, so daß die vorteilhafte Wirkung des Verdrillens wieder verringert wird. Ein Vorteil der Erfindung ist es daher auch, daß der hergestellte Draht verdrillt werden kann, ohne daß die fehlerlose Beschaffenheit der Fadenanordnung zerstört wird, wodurch die Verbesserung, welche durch das Verdrillen bezüglich der kritischen Stromdichte erreicht werden kann, voll ausgenützt wird.

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Durch die Erfindung wird ferner die Möglichkeit geschaffen, das Widerstandsverhältnis hei zusammengesetzten Supraleiter-Drähten leicht, genau und wirtschaftlich einstellen zu können. Zu diesem Zwecke wird ein Legierungszusatz oder ein Dotierungsmaterial der Trägermetallschmelze in solcher Menge zugesetzt, daß sich ein bestimmtes Widerstands verhältnis im betreffenden Supraleiter einstellt.

Nach der Verfestigung des Gußteiles in der oben beschriebenen Weise wird das mit einer Kernanordnung versehene Gußstück aus dem Tiegel oder Behältnis entnommen, so daß gegebenenfalls die Stäbe nun entfernt werden können. In diesem Falle können die gebildeten Durohbrüche oder Löcher mit Supraleitermaterial ausgefüllt werden, so daß man einen Preßbarren erhält, welcher durch Ziehen oder durch andere geeignete Reduzierungsverfahren zu einem Supraleiter in Form eines Drahtes, Stabes oder Streifens weiterverarbeitet werden kann. Das in solcher Weise hervorgebrachte Erzeugnis besitzt nicht nur Supraleiter-Betriebseigenschaften, welche denjenigen von Bauteilen, welohe nach bekannten Verfahren hergestellt sind, weit überlegen sind, sondern ein entsprechender Supraleiter-Draht ist auch frei von Graten oder zakkigen Vorsprüngen, wie sie durch äußere Ummantelungen oder Behälter hervorgerufen werden, die beispielsweise in der US-Patentschrift 3 4:65 430 in diesem Zusammenhang erwähnt sind. Die bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens erzielte, glatte Oberfläche ermöglicht ein leichteres Weiterverarbeiten und Isolieren.

Im übrigen bilden zweokmäßige Ausgestaltungen der Erfindung Gegenstand der anliegenden Patentansprüche. Im Folgenden wird die Erfindung durch die Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert. Hierbei sind einander entsprechende Teile in den verschiedenen Zeichnungsfiguren mit gleichen Bezugszahlen versehen. Es sei darauf hingewiesen, daß die Zeichnungen nicht maßstäblich angelegt sind, sondern lediglich das Grundsätzliche der erfindungsgemäßen Teile erkennen lassen. Es stellen dar;

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Figur 1 eine Stirnansicht einer Kernanordnung für einen Preßbarren, wie er nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbar ist,

Figur 2 eine Schnittansicht der in Figur 1 gezeigten

Kernanordnung entsprechend der durch die Linie 2-2 in Figur i angedeuteten Schnittebene,

Figur 3 eine schematische Schnittzeichnung eines Teiles eines Ofens und eines Tiegels zur Ausführung einer bevorzugten Form des Verfahrens nach der Erfindung,

Figur k eine schematische Abbildung zur Erläuterung der Art und Weise, in welcher ein Trägerkörper eines Preßbarrens kontrolliert und unter Einhaltung einer bestimmten Richtung zur Erstarrung gebracht wird und

Figur 5 eine schematische Abbildung der Einrichtungen

zur Steuerung der beabsichtigten Erstarrung des Trägerkörpers des Preßbarrens gemäß Figur k.

Bei der Kernanordnung nach den Zeichnungsfiguren 1 und 2 ist eine HJLteplatte 10 sowohl an einer Kernstab-Haltestange 12 als auch an einer unteren Lochplatte 14 befestigt. Die genannten Bauteile sind aus Graphit hoher Reinheit gefertigt.

Die untere Lochplatte Ik und eine entsprechend gestaltete obere Lochplatte 16 weisen Bohrungen 18 auf, die so ausgebildet sind, daß sie die Enden einer Anzahl von Quarzstäben 20, insbesondere von hohlen Quarzstäben, aufnehmen, welche zumindest an einem Ende, etwa bei 22, dicht abgeschlossen sind, um das Entweichen von Luft und das Eintreten von Kupfer während des noch zu beschreibenden Eiiitauchvorganges zu verhindern.

Die in Figur 1 gezeigte Kernanordnung wird zusammengebaut, indem die aus Graphit bestehende Kernstab-Haltestange 12 in die untere

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Stützplatte 10 eingeschraubt wird, wonach die untere Lochplatte 14 über die Kernstab-Haltestange übergesohoben und naoh abwärts geschoben wird, Hiernaoh wird die obere Lochplatte 16 über die Haltestange 12 übergeschoben und an eine bestimmte Stelle gebracht. Sowohl die obere wie auch die untere Lochplatte werden dann in ihrer Stellung mittels kleiner Wolframstifte oder Graphitstifte, etwa wie bei 26 und 28 angedeutet, fixiert. Hierauf wird eine entsprechende Anzahl von Quarzrohren 20 in die teilweise zusammengebaute Kernanordnung eingesetzt, indem sie mit dem geschlossenen Ende 22 nach aufwärts geriohtet (Figur 2 rechts liegend) durch die Bohrungen IS der oberen Lochplatte 16 geführt werden, so daß sie schließlich in die jeweils zugehörigen Bohrungen der unteren Lochplatte 14 reichen. Zur Vervollständigung der Kernanordnung wird dann eine obere Stützplatte 24 über die Haltestange 12 geschoben und, wie oben schon angedeutet, mittels Stiften gesichert.

Nachdem die Kernanordnung nach den Figuren i und 2 in der beschriebenen Weise zusammengebaut ist, wird sie zur Erhitzung in einen Ofen gesetzt. Gleichzeitig wird ein in Figur 3 gezeigter Tiegel 30 auf einen in dem Ofen 34 befindlichen, etwa hülsenartigen Bock 32 gestellt. Die Innenwandungen des Tiegels 30 sind hierbei leicht konisch, und zwar mit einer Schrägung von etwa 2,1 mm auf je 10 cm Länge, so daß der Innendurchmesser des Tiegels am unteren Ende kleiner als am oberen Ende ist, welch letzteres mit einem Isolierstopfen 35 abgeschlossen ist. Der Stopfen 35 ist aus Graphit gefertigt und so ausgebildet, daß er das obere Ende des Tiegels abschließt und ein Rohr 36 aufnehmen kann, mittels welchem gegebenenfalls ein Inertgas in das Innere des Tiegels geleitet werden kann. Der Ofen besitzt einen oder mehrere primäre Wärmezuführungskanäle, wie sie bei 38 angedeutet sind, sowie einen oder mehrere sekundäre WärmeZuführungskanäle, beispielsweise bei 40. Am Boden des Ofens ist eine Öffnung 42 zur Aufnahme eines Kokillenblookes 44 vorgesehen, welcher durch den Bock 32 hindurch so weit nach aufwärts bewegt werden kann, daß er sich gegen den Boden des Tiegels 30 anlegt. Ein Temperaturfühlerelement 46 tritt am oberen Ende des Tiegels in den Ofen ein und erstreckt sich

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längs der Seite des Tiegels, um dessen Temperatur an verschiedenen Punkten längs des Tiegels aufzunehmen. Ein weiteres Temperaturfühlerelement 48 ist neben dem Kokillenblook 44 bis zum Boden des Tiegels nach aufwärts geführt. Beide Temperaturfühlerelemente sind an einen Temperaturanzeiger und Temperaturregler 50 angeschlossen, welcher im Zusammenhang mit Figur 5 nooh erwähnt werden wird.

Der Temperaturanzeiger und Regler 50 liefert an Ausgangsleitungen 52 und 5^ Ausgangssignale zur Regelung eines Primärheizers 56 und eines Sekundärheizers 58, welche über die primären bzw. sekundären Wärmezuführungskanale Wärmeenergie an den Ofen liefern, wie aus Figur 5 zu entnehmen ist. Ferner liefert der Temperaturanzeiger und Regler 50 auf der Leitung 58 ein Ausgangssignal zur Steuerung oder Regelung der Kühlwasserzufuhr 60 für die Kokille, von wo aus das Kühlwasser über eine Leitung 62 zu einem Kühlwasserraum 64 des Kokillenblockes 44 des Ofens geleitet wird. Die Heizer und die Kühlwasserzufuhr können aber auch von Hand eingestellt und reguliert werden.

Zur Ausführung eines bevorzugten Ausführungsbeispieles des Verfahrens nach der Erfindung wird ein in Figur 3 durch gestrichelte Linien bei 65 angedeuteter Kupferbarren in den Tiegel 30 eingesetzt, wobei dieser Kupferbarren aus sauerstoffreiem Knifes⁵ hoher Reinheit und hoher Leitfähigkeit besteht„ Der tiegel 30 besteht vorzugsweise aus hochreinem Graphit, um diese Quelle von Verunreinigungen der Schmelze auszuschließen. Dies ist insbesondere dann von Wiohtigkeit, wenn nach dem erfindungsgemäßen Verfahren Supraleiter-Drähte hergestellt werden sollen, welche ein hohes Widerstandsverhältnis besitzen. Hierunter ist das Verhältnis der Widerstandswerte bei Raumtemperatur einerseits und im Supraleitungszustand bei beispielsweise etwa 4,2° K zu verstehen. Ein Beispiel für angestrebte Widerstandsverhältnisse sind Werte von etwa 150 bis 200, doch fällt dieser Verhältniswert rasch ab, wenn im Kupfer Verunreinigungen vorhanden sind. Aus

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diesem Grunde ist die Verwendung eines Graphittiegels vorteilhaft, da sich das Graphit nicht mit dem Kupfer verbindet, doch kann der Tiegel auch aus einem anderen Werkstoff hergestellt werden, welcher die Eigenschaft hat, das Kupfer nicht zu verunreinigen. Auch können anstelle von Kupfer andere Trägerwerkstoffe verwendet werden. Soll absichtlich ein Supraleiter mit niedrigem Widerstandsverhältnis hergestellt werden, so kann das Kupfer oder ein anderer Trägerwerkstoff willkürlich eine Legierung oder Dotierung erfahren. Beispielsweise läßt ein Nickelzusatz von nur lio den Wert des Widerstandsverhältnisses der Anordnung auf etwa 5 : 1 abfallen. Es hat sich herausgestellt, daß das erfindungsgemäße Verfahren besonders gut dazu geeignet ist, das Widerstandsverhältnis zusammengesetzter Supraleiter-Drähte genau und mit geringem Kostenaufwand einzustellen. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens kann bezüglich einer gegebenen Kombination eines Trägermetalls und eines Supraleitermetalls das Widerstandsverhältnis des betreffenden zusammengesetzten Supraleiter-Drahtes mit einer Genauigkeit eingestellt werden, welche vorher bei bisher erhältlichen, zusammengesetzten Supraleiter-Drähten nicht erzielt werden konnte.

Nachdem der Kupferbarren geschmolzen ist und überhitzt worden ist, füllt die Kupfersohmelze den Tiegel bis zu einer Höhe, welche in Figur 3 durch die Linie 66 angedeutet ist. Nun wird die vorgewärmte Kernanordnung langsam in die Schmelze abgesenkt, so daß sie von geschmolzenem Kupfer überdeckt ist. Der Primärheizer wird dann abgeschaltet und die Schmelze wird geregelt in bestimmter Richtung zur Erstarrung gebracht, worauf nachfolgend näher eingegangen wird.

Der Temperaturanzeiger und Regler 50 bewirkt, daß Kühlwasser von einer Kühlwasserquelle 60 über die Leitung 62 zu dem Kühlwasserraum 6k des Kokillenblockes kk geführt wird. Gleichzeitig wird Wärmeenergie von dem Heizer 58 über die sekundären Wärmezuführungskanäle kO an den oberen Teil des Tiegels übertragen, so daß der obere Teil der Schmelze über dem Schmelzpunkt des

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Trägermetalls gehalten wird, welcher im Falle von sauerstofffreiem, hochreinem, hochleitfähigera Kupfer 1083° C beträgt. Der Tiegel bleibt dabei im Ofen, so daß seine Wandungen, obwohl sie nicht mehr weiter erhitzt werden, in einer heißen Umgebung verbleiben. Auf diese Weise erstarrt die Schmelze des Trägermetalls allmählich von unten nach oben und von innen nach außen unter Ausbildung einer kegelförmigen Erstarrungsfront, so daß Gußfehler, wie sie im allgemeinen bei unkontrollierter Erstarrung auftreten, vermieden werden. Beispielsweise treten bei kontrollierter Erstarrung keine Schrumpfhohlräume oder Lunker in der Mitte des Preßbarrens auf, wie sie sich ausbilden können, wenn die Schmelze von außen nach innen erstarrt.

fc Es hat sich gezeigt, daß durch gleichzeitiges Regulieren der Kühlung des unteren Tiegelabschnittes und durch Erhitzen des oberen Tiegelteiles während der Erstarrung eine pyramidenartige oder kegelförmige Erstarrungsfront entsteht. Wie nämlich aus Figur k zu ersehen ist, erstarrt die Schmelze 68 zunächst vom Boden her in der Mitte und dann an den äußeren Rändern in solcher Weise, daß eine-Pyramide oder ein Kegel nach aufwärts wandert, der oben auf dem schon erstarrten Teil des darunter liegenden Trägermetalls sitzt. So kann beispielsweise die gestrichelte Linie 70 die Erstarrung s front zu einem ersten Zeitpunkt versinnbildlichen, die gestrichelte Linie 72 zeigt dann die Erstarrungsfront zu einem nachfolgenden Zeitpunkt und die gestrichelte Linie Ik läßt schließlich die vorgerückte Erstarrungsfront zu einem wieder

ψ ' späteren Zeitpunkt erkennen. Auf eben dieser kegelartigen Erstarrungsfront bei der fortschreitenden Erstarrung der Schmelze beruht die Freiheit von unerwünschten Hohlräumen oder üblichen Gußfehlern bei Gußstücken nach der Erfindung,

Nachdem das Gußstück ausreichend abgekühlt ist, wird es zusammen mit der darin eingegossenen Kernanordnung aus dem Tiegel entnommen. Diejenigen Teile des Gußstückes, welche die Lochplatten und Stützplatten enthalten, werden dann abgetrennt und die Außenflä-

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ehe des Gußstüokes wird gegebenenfalls auf bestimmte Abmessungen abgedreht. Hier ist aber zu bemerken, daß es ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, daß nur ein geringer Anteil des ursprünglich verwendeten Grießwerkstoffes des Trägermaterials abfällt. Bei dem oben erwähnten Abdrehen und Abtrennen der Loohplatten und der Stützplatten wird beispielsweise nur etwa 5$ des Trägermetalls ungenützt beseitigt, wobei dieser Abfall aufgrund seiner hohen Reinheit wieder verwendet werden kann. Hierbei ist zu berücksichtigen, daß beim Bohren von Löchern entweder in einen einstückigen Körper oder in einzelne Scheiben die Reinheit des Abfallmaterials nur sohwierig aufrecht erhalten werden kann, so daß eine Wiederverwendung für die Herstellung von Supraleiter-Trägerkörpern nicht angezeigt ist.

Falls erwünscht, können nun die Quarzstäbe aus dem Gußstück entfernt werden, was durch einen Auflösungsvorgang oder ein Auslaugen geschehen kann, bei welchem das Quarz durch die Wirkung von geschmolzenem Natriumhydroxid aufgelöst wird. Der heiße Barren wird dann im Wasser abgeschreckt, um sicherzustellen, daß etwa nicht aufgelöstes Quarz ebenfalls entfernt wird und um die Oxidation der Barrenoberfläche möglichst gering zu halten. Die Quarzstäbe können aber auch durch Auflösen in Flußsäurelösung oder auf mechanische Weise entfernt werden. Hiernach wird der Träger-Gußkörper durch Bürsten, Ätzen und Spülen in geeigneten Flüssigkeiten gereinigt, so daß sich saubere, aktive Oberflächen ergeben. Danach werden die Löcher in dem Träger mit Stäben aus supraleitenden Elementen oder Legierungen, beispielsweise aus Niob oder einer supraleitenden Legierung ausgefüllt. So werden beispielsweise zufriedenstellende Ergebnisse mit einer Niob— Titan-Legierung erzielt, welche bis zu 70$ Titan enthält.(Titan mit 30 Gewichtsprozenten Niob). Bei einem bevorzugten Auaführungsbeispiel eines zusammengesetzten Preßbarrene sind Stab« aus Titan mit 45 Gewichtsprozent Niob in einen Träger aus sauerstoff reiem, hochreine«, hoohleitfähigem Kupfer eingebettet. Jedenfalls wird nachfolgend der zusammengesetzt· Barren duroh Strangpressen, Pressen, Walzen, Ziehen oder in anderer Weise

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derart weiterverarbeitet, daß sich schließlich zusammengesetztes, supraleitendes Material in Fora von Drähten, Stäben, Bändern, Streifen oder dergleichen ergibt.

Der Faohmann erkennt aus der obigen Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrene und der Einrichtung zur Herstellung eines gleichförmigen Trägers, daß der in solcher Weise erzeugte Supraleiter-Draht eine große Gleichförmigkeit besitzt und hohe Qualität aufweist. Ein derartiger Supraleiter-Draht ist nämlich nicht nur gleichförmiger, sondern besitzt auch mit Sicherheit weniger Stellen mit einem Fadenfehler, als sie bei Drähten anzutreffen sind, die naoh bekannten Verfahren hergestellt wurden. Der entspreohende Draht kann daher auf bedeutend größere Längen ausgezogen werden, ohne daß eine Verringerung der nutzbaren kritisehen Stromdichte auftritt. So wurden beispielsweise Vergleiche zwisohen einem nach herkömmlichen Verfahren hergestellten, zusammengesetzten Supraleiter-Draht und einem zusammengesetzten Supraleiterdraht gleichen Durchmessers und gleicher Zusammensetzung angestellt, welcher jedooh naoh dem oben beschriebenen Verfahren hergestellt worden ist. Es zeigte sioh dabei, daß die größte Länge eines zusammengesetzten Supraleiter-Drahtes hoher Qualität mit einem Durohmesser von 1,26 mm, welche unter Vfrwendung des bekannten Verfahrens herstellbar war, nur etwa 120Om betrug, während die entsprechende Länge eines gleiohen Drahtes, welcher naoh der Erfindung hergestellt wurde, 12 000 m betrug, wobei dieser Wert ohne Schwierigkeiten noch hätte vergrößert werden können.

Außerdem ist die Oberfläche d·· erzeugten Draht·» frei von Zacken oder Graten, wie ti« bei Ausübung bekannter Verfahren auftreten, da der zusammengesetzte Pr»ßbarr«n_t wie er erfindung»gemäß erzeugt wird, nicht »egmentweise unterteilt ist und daher ein« Anordnung des Preßbarrene in einem Behältnis oder einer Ummantelung vor dem Ziehen unnötig let. An de« fertig«» Draht sind daher keine unerwiineohten Voreprüttf· oder Xaeken fett»■·teile*, so tfeB der Draht leiohttr isoliert werden kanm. Wird ein Supraleiter^

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Draht, welcher in der erfindungsgemaOen Weise hergestellt ist, in Konstruktionen wie beispielsweise einem Supraleiter-Magnet verwendet, so läßt sich ein soloher Magnet bedeutend leichter erregen, da er besser kurzschlußfrei isoliert werden kann und da wegen der Fehlerlosigkeit der Supraleiterfäden höhere Flußdichten erzielt werden können.

Im Rahmen der Erfindung bietet sich dem Fachmann noch eine Vielzahl vm Abwandlungsmöglichkeiten bestimmter Formen und Einzelheiten, welche aber von dem der Erfindung zugrunde liegenden Gedanken mit umfaßt werden. So ist beispielsweise festzustellen, daß die oben erwähnte, mittige Kernstab-Haltestange aus Graphit auch durch eine umgebende Haltehülse oder durch in Längsrichtung verlaufende Streifen ersetzt werden kann, daß die Quarzrohre auch ausgebohrt werden können und daß sioh das erfindungsgemäße Verfahren auch auf kontinuierliches Gießen oder Stranggießen anwenden läßt. Auch können anstelle der oben erwähnten Werkstoffe andere Materialien eingesetzt werden. So können beispielsweise als Kernelemente Stäbe aus rostfreiem Stahl oder aus anderen Metallen verwendet werden, die mit Aluminiumdioxid, Titandioxid oder anderen hitzebeständigen Verbindungen beschichtet sind, wobei diese Bauteile anstelle der oben erwähnten Quarzstäbe eingesetzt werden. Verwendet man konisoh verlaufende Stäbe, so lassen sioh diese mechanisch entfernen«

Auch ist die Möglichkeit gegeben, die Gestalt des Formtiegels, der Kernelemente und des Preßbarrens im Rahmen der Erfindung zu verändern. Beispielsweise können im Querschnitt quadratische oder rechteokige oder sechseokige Preßbarren hergestellt werden und die Erzielung eines optimalen Packungsfaktors oder Füllfaktors kann es zweckmäßig erscheinen lassen, Kernstäbe mit sechseckigem, dreieckigem oder anderem geometrischen Querschnitt zu verwenden.

Die Quarzstäbe können auch duroh Supraleiterstäbe ersetzt werden, deren Oberflächen mit Niob, Molybdän, Wolfram oder dergleiohen so beschichtet sind, daß sioh keine Verbindung mit dem

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Trägermetall ergibt und/oder, daß keine Verbindungen gebildet
werden, welche bei der Herstellung oder bei der Erzielung einer hohen nutzbaren kritischen Stromdichte des supraleitenden Erzeugnisses schädlich sind.

Die Erfindung umfaßt also auch das Einsetzen von Kernstäben aus Supraleitermaterial unmittelbar in die Kernanordnung zur Herstellung eines fertigen Preßbarrens als Gußstück anstelle eines mit Kernen versehenen Preßbarren-Trägerkörpers, der nachfolgend noch mit Supraleitermaterial gefüllt werden muß, um schließlich den fertigen zusammengesetzten Preßbarren zu bilden. Beispielsweise können Titan-Niob-Kernstäbe unmittelbar in einen Aluminiumträger eingegossen werden. Anstelle eines Eintauchens der Kernanordnung in die Schmelze des Trägermetalles kann auch vorgesehen sein, die Kernanordnung im Tiegel zu befestigen und die Schmelze des Trägermetalls von außen einzugießen. Hier sei nochmals bemerkt, daß auch andere Trägermetalle wie Blei oder Zinn verwendet werden können.

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung eines zusammengesetzten Supraleiters, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl von Stäben in bestimmter Anordnung innerhalb einer Form in eine Schmelze eines Trägermetalls gesetzt wird, daß die Schmelze kontrolliert zur Erstarrung gebracht wird und daß dann der aus der erstarrten Schmelze des Trägermetalls und der Stabanordnung gebildete Körper aus der Form entnommen wird und einen Preßbarren zur Herstellung des zusammengesetzten Supraleiters bildet.

2. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Preßbarren zur Querschnittsverringerung bearbeitet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zusammengesetzte Supraleiter eine nachfolgende Verarbeitung insbesondere mittels Ziehen zu einem Supraleiter-Fertigprodukt erfährt.

4« Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Preßbarren zu einem dünnen, langgestreckten Supraleiter verarbeitet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, daduroh gekennzeichnet, daß die Schmelze des Trägermetalls vom unteren Ende des herzustellenden Preßbarrens her nach aufwärts in solcher Weise zur Erstarrung gebracht wird, daß die Erstarrungsfront in Form eines nach oben weisenden Kegels nach aufwärts wandert.

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6. Verfahren naoh einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die kontrollierte Erstarrung der Schmelze des Trägermetalls in der Weise durchgeführt wird, daß die Schmelze von unten abgekühlt wird, während die Form in einer heißen Umgebung auf einer Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des Trägermetalls gehalten wird und an der Form im Bereich des oberen Endes der Schmelze so lange eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des Trägermetalls aufrecht erhalten wird, bis das obere Ende der Schmelze erstarrt ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stäbe um eine zentrische Längsachse herum in einem Gestell angeordnet werden und daß die Stabanordnung in einem die Form bildenden Tiegel mit der Schmelze des Trägermetalls umgeben wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Stabanordnung von dem Trägermetall nach dessen Erstarrung entfernt wird, so daß in dem Preßbarren Löcher gebildet werden.

9. Verfahren naoh Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung eines zusammengesetzten, supraleitenden Preßbarrens die Löoher mit Supraleitermaterial ausgefüllt werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüohe 1 bis 7, dadurch gekenn-" zeichnet, daß die Stäbe aus Supraleitermaterial bestehen.

11. Verfahren naoh einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Stäbe aus Quarz bestehen,

12. Verfahren naoh Anspruch 11, dadurch gekeimzeichnet, daß die Quarzstäbe aus dem Trägermetall durch Einbringen des Gußstückes in ein Bad entfernt werden, welches Stoffe der Art von geschmolzene» Natriumhydroxid oder Flußsäurelöeung enthält oder hieraue besteht.

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13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß als Stäbe Quarzrohre verwendet werden, welche an mindestens einem Ende so verschlossen sind, daß ein Entweichen von Luft und ein Eintreten von Sohmelze beim Einbringen der Stäbe in diese vermieden werden,

I²I. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Stäbe aus Metall bestehen und mit einer hitzebeständigen Verbindung beschichtet sind.

15. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Stäbe Supraleitermetall enthalten, das mit einem Metall oberflächenbesohichtet ist, welches aus der Gruppe gewählt ist, die Niob, Molybdän und Wolfram enthält.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Sohmelze ein Legierungswerkstoff in bestimmter Menge entsprechend einem vorbestimmten Widerstandsverhältnis des resultierenden, zusammengesetzten Supraleiters zugesetzt wird.

17. Verfahren zur Herstellung eines Preßbarrens für die Bildung zusammengesetzter Supraleiter entsprechend den Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß in der Form bzw. dem Tiegel das Trägermetall erschmolzen wird, bevor die Stabanordnung eingebracht wird.

19. Einrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 18, gekennzeichnet durch ein Gestell (iO, 12, Ik, 16, 22) zur Halterung einer Stabanordnung (20) in bestimmter Lage um eine Längsachse herum, ferner durch eine Vorrichtung zur Aufnahme der Schmelze des Trägermetalls (66) sowie des Gestells, derart, daß die Sohmelze die Stabanordnung umgibt sowie durch Einrichtungen (50, 56, 58, 6o) zur Regulierung der Temperatur der Schmelze derart, daß die Schmelze am unteren Ende der Form

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(30) gekühlt wird, während das obere Ende der Schmelze oberhalb des Schmelzpunktes bleibt, wodurch die Erstarrung von unten nach oben fortschreitet.

20. Einrichtung nach Anspruch 19, gekennzeichnet durch einen Kokillenblock (44), welcher derart nahe dem unteren Ende der Form (30) angeordnet ist, daß die vom Kokillenblock abgeführte Wärme eine Erstarrung der Schmelze von unten nach oben bewirkt.

21. Einrichtung nach Anspruch 19 oder 20, gekennzeichnet durch ein Verschlußstüok (35) zum Abschluß des oberen Endes der Form (30) sowie durch eine Zuleitung (36) für ein Inertgas in die Form zu dem Raum zwischen der Schmelze (66) und dem Verschlußstück.

22. Einrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 21, gekennzeichnet durch Heizeinrichtungen (56, 38) zum Erhitzen der Form (30) zum Zwecke des Erschmelzens des Trägermetalls,

23. Einrichtung nach Anspruch 22, gekennzeichnet durch weitere Heizeinrichtungen (58, 40) zum Erhitzen des oberen Teils der Form (30) während der Erstarrung der Schmelze des Trägermetalls.

24. Einrichtung nach einem der Ansprüche 19 oder 21 bis 23 und/ oder Anspruch 20, gekennzeichnet durch Einrichtungen zur Zuführung von Kühlmittel zu dem Kokillenblock (44) in solcher Weise,

ψ ' daß die durch den Kokillenblock abgeführte Wärme ein Fortschreiten der Erstarrung der Schmelze von unten nach oben bewirkt.

25. Einrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß das Gestell zwei im Abstand voneinander angeordnete Halteplatten (14, 16) enthält, die Mittel (lö) zur Halterung der Enden der Stäbe in der vorbestimmten Anordnung aufweisen.

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