專利名稱：獲得用于制造高性能超導(dǎo)電纜的棒狀半成品的冷合成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種獲得棒狀半成品的冷合成方法，該半成品可用于制造超導(dǎo)電纜，特別是鈮鈦(下文稱“NbTi”)超導(dǎo)電纜。
本發(fā)明還涉及由此棒狀半成品制造的超導(dǎo)電纜。
背景技術(shù)：
目前，超導(dǎo)體特別是NbTi電纜是由組件制造而成的，該組件包括一個杯狀銅鑄錠，在其中順次插入具有超導(dǎo)材料芯部的棒，該芯部由一個或多個NbTi金屬絲限定，以及一個銅(和/或其他貴重金屬)套。棒很短(最長約800mm)，其橫截面為六邊形以使其便于安裝在銅鑄錠上。然后將銅鑄錠的自由端通過焊接一個銅蓋加以密封，在這樣形成的組件體中形成真空，并經(jīng)過一步或多步熱擠壓(溫度大約為500℃)將其縮減成直徑為60-80mm的棒(長度大于10m)。此時，可能經(jīng)過熱處理，對棒狀金屬半成品進(jìn)行冷拔逐漸形成超導(dǎo)電纜。
如上所述的超導(dǎo)體特別是NbTi電纜的主要缺點(diǎn)是與合金的能力相比其臨界電流(Jc)很低。
然而，本發(fā)明的技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)去掉NbTi超導(dǎo)體的加工過程中的任何熱擠壓能夠使對于給定化學(xué)成分和給定α值(電纜的銅與NbTi的體積比)的超導(dǎo)體的臨界電流(Jc)增加25％以上。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于提供一種制造超導(dǎo)體，特別是NbTi電纜的方法，它能增加超導(dǎo)電纜的臨界電流(Jc)。
本發(fā)明的另外一個目的在于提供一種獲得用于制造超導(dǎo)體電纜的棒狀半成品的冷合成方法，而且是一種成本低、簡單、快速而且同時能確保高質(zhì)量的方法。
本發(fā)明提供了一種從單絲和多絲超導(dǎo)體棒制造超導(dǎo)體，特別是NbTi電纜的方法，其特征為包括的步驟全部為冷塑性變形。
更具體地，本發(fā)明還涉一種例如全部用冷塑性變形操作的“冷”合成方法來獲得棒狀半成品，其包括的步驟為形成圓形截面的、單絲或多絲的相對較長的超導(dǎo)體銅棒；在長度基本相同的圓柱形銅芯的周圍裝配該棒，使用可以像書那樣打開的、安裝在裝配工作臺上并可在其上滑動的模板，模板具有呈圓形排列的用來支撐棒的通孔，并有一個用來支撐芯的中心通座；將棒捆扎到芯的外側(cè)表面；將放置在裝配工作臺上的多個金屬支撐環(huán)滑動至如此形成的組件的一端，同時將該模板從組件相對的另一端滑出；將銅管滑套到這樣形成的組件上，同時沿軸向切割該捆扎帶并滑出支撐環(huán)；并在完成的組件上執(zhí)行一系列的拉伸操作來逐漸降低組件的橫截面、增加組件的長度來獲得所需尺寸的棒狀半成品，經(jīng)過鹽浴式熱處理后，通過冷拔從中獲得超導(dǎo)體電纜。
通過消除任何熱擠壓，通過冷拔棒狀半成品獲得的超導(dǎo)體電纜，其臨界電流高于同樣類型的超導(dǎo)體約25％，其中，最初的棒是用傳統(tǒng)的方法合成的，即在鑄錠上裝配然后壓縮并熱擠壓。
此外，如上所述的組合方法從采用圓形截面的超導(dǎo)體棒開始，這種棒非常容易制造，并具相當(dāng)?shù)拈L度(大約5m)，這樣獲得棒狀半成品(大約14m)就更容易而且更便宜。
最后，本發(fā)明通過完全冷處理(即在環(huán)境溫度下)的方法進(jìn)行制造的棒狀半成品，可以取代當(dāng)前使用的用傳統(tǒng)拉伸系統(tǒng)的半成品擠壓棒，不需要對已有的超導(dǎo)體電纜制造系統(tǒng)進(jìn)行任何改變。


結(jié)合附圖舉例說明本發(fā)明的非限制性的實施例，其中圖1為根據(jù)本發(fā)明的方法制造超導(dǎo)體電纜的完整處理過程的流程圖；圖2是本發(fā)明的冷合成方法的一個步驟及使用的特殊設(shè)備的一部分的透視圖；圖3為圖2所示的方法的下一步示意圖，及結(jié)果組件的側(cè)視圖；圖4為圖2所示的方法的下一步示意圖，及使用的特殊設(shè)備的其余部分；圖5顯示了本發(fā)明的合成方法的最后一步的細(xì)節(jié)。
具體實施例方式
參考附圖，數(shù)字1(圖5)代表了根據(jù)本發(fā)明一個方面的冷合成方法制造的棒狀半成品的整體，該半成品可以用于制造超導(dǎo)體電纜的方法之中，根據(jù)本發(fā)明的另一方面，其特征為任何一個塑性變形步驟都完全為例如在環(huán)境溫度下的冷變形，如流程圖1所示。
本發(fā)明開始于用已知方法制造的棒2，每個棒都包括由超導(dǎo)體材料特別是NbTi合金構(gòu)成單絲和多絲所限定的芯，以及銅套，并可能具有插入超導(dǎo)體與銅之間的由貴金屬或金屬合金做成的屏障層。在多絲棒情況下，芯包括121個超導(dǎo)合金制成的單絲。
盡管，在此及下文中指的是NbTi超導(dǎo)體和銅，但是本發(fā)明的目的顯然并不限于這些材料，還可以延伸到使用其他材料，其中超導(dǎo)體材料的臨界電流值還在一定程度上取決于材料加工硬化的程度，其中可以用與根據(jù)本發(fā)明獲得的超導(dǎo)體電纜的操作性能基本相同的其他金屬或金屬合金代替銅。
多絲棒2最好具有的α比(銅的體積與超導(dǎo)體的體積之比)為0.5，多絲棒2較高的α比大約可為2。
根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，棒2必須安裝在銅殼的內(nèi)部，并且最終的組件要進(jìn)行一系列的塑性變形步驟直至獲得所需尺寸的電纜。
根據(jù)本發(fā)明的第一個特征，與六邊形橫截面相反，棒2具有圓形橫截面，例如其直徑大約4毫米，由最終直徑為50微米的單絲或最終直徑為4微米或以上的多絲構(gòu)成。
根據(jù)本發(fā)明，使用棒狀半成品的合成方法，棒2安裝于銅殼的內(nèi)部，其中主要步驟詳細(xì)地顯示于圖2、3和4中，其余步驟在圖1中示意，其形成根據(jù)本發(fā)明的超導(dǎo)電纜制造方法的一部分，其以包括全部為冷塑性變形步驟為特征。
根據(jù)本發(fā)明的組合方法使用具有如上所述特征的棒2，其還具有的特征是相對較長(軸向)，例如大約5m，至少是用于已知方法的傳統(tǒng)六邊形橫截面的超導(dǎo)體棒長度的7-8倍。
一旦成形，對棒2進(jìn)行傳統(tǒng)的化學(xué)處理包括連續(xù)浸入不同的脫脂和酸洗槽并烘干。然而，處理如此長的棒時，是以成捆的方式進(jìn)行的，并插入用來支撐整個棒2長度的、具有動力的、側(cè)面敞開的旋轉(zhuǎn)籃中，通過將旋轉(zhuǎn)籃浸入槽中來進(jìn)行化學(xué)處理，并通過將整個旋轉(zhuǎn)籃插入烘干爐中來烘干。
通過例如金屬支撐結(jié)構(gòu)來限定該旋轉(zhuǎn)籃(為了簡明沒有在圖中示出)，該支撐結(jié)構(gòu)鉤住一個提升裝置并將電機(jī)支撐一定高度，這樣即使當(dāng)支撐結(jié)構(gòu)浸入到處理槽中，也能使電機(jī)保持干燥；通過多個安裝于金屬支撐結(jié)構(gòu)上的旋轉(zhuǎn)盤，彼此周向連接，并且每個支撐多個朝向圓周方向的輥子(例如3個相隔120度的輥子)，以支撐該棒。這樣通過電機(jī)使機(jī)械傳動旋轉(zhuǎn)盤和輥子，其構(gòu)成相對于金屬支撐結(jié)構(gòu)實際旋轉(zhuǎn)的籃。
然后將處理過的棒2傳送給裝配工作臺3，如圖2和圖4所示。同樣地，與棒2的長度基本相同的實心圓柱形銅芯20也在上面描述的旋轉(zhuǎn)籃中處理，之后也送到裝配工作臺3。
工作臺3包括床身或帶有例如圓柱形的直導(dǎo)桿5的實際工作臺4，在該導(dǎo)桿5上帶有可滑動多個裝配模板6(只在圖2中顯示了一個)，其可像書一樣地打開。每個模板6包括底半部7，它與導(dǎo)桿5連接并可以沿著導(dǎo)桿5滑動；以及位于底半部一側(cè)并與其成180℃的頂半部8，頂半部8或者直接與相應(yīng)的底半部7以鉸鏈連接，如圖2所示，或者更好地，連接到另外一個與導(dǎo)桿5平行的導(dǎo)桿上(未在圖中顯示)，并可在其上滑動。
半部7和半部8為鞍狀，從而當(dāng)半部8翻轉(zhuǎn)180℃至半部7之上時，限定出用于容置和支撐芯20的圓柱狀通座9，如此由工作臺3上的模板6支撐的芯的軸對稱地平行于導(dǎo)桿5。相似的，半部7和8含有沿與中心圓柱形座9(當(dāng)半部7、8裝配成一個位于另一個之上而形成模板6時)同心的一個圓分布的多個通孔10，該多個通孔具有能夠容納棒2的直徑，每個棒2通過一個孔10，這樣棒2環(huán)繞芯20呈圓形分布，由在工作臺3上的模板6支撐，并與導(dǎo)桿5平行。
孔10可以環(huán)繞座9在一個圓形分布，或者在如例子中所述，沿兩個同心圓分布，11代表內(nèi)圓，12代表外圓。
首先，將多個棒2插入到外圓12的孔10中，此時模板6還處于打開狀態(tài)，半部7和8并排放置并彼此翻開；然后將剩余的棒2插入內(nèi)圓11的孔10中；最后，將芯20放置在半部7上，然后將半部8(帶有插入至其中的棒)沿著箭頭方向(圖2)翻轉(zhuǎn)夾緊內(nèi)部的芯20并關(guān)閉模板6。
這樣棒2順序支撐于芯20四周，這時，利用帶30通過例如手工扎捆的方法(圖3)將棒綁在芯的外表面21上，該帶30可用銅線制造，用帶30沿著導(dǎo)桿5逐漸地連續(xù)捆扎，一次系一個帶，從工作臺3的一端32(圖4)至相反的另一端33。
同時，仍然從端部32開始，將多個例如由銅制成的環(huán)34安裝于工作臺3，其被設(shè)置為位于導(dǎo)桿5上并可沿導(dǎo)桿5滑動，同時圍繞芯20和棒2，并使得棒2與表面21接觸。很明顯，上述操作要與每個模板6留有一定的距離以允許棒2彎曲并與表面21相接觸。更具體地，從第一條帶開始，第一個環(huán)34安裝在端部32，還處在關(guān)閉位置的模板6逐漸沿著導(dǎo)桿5朝端部33滑動。然后，安裝第二個環(huán)34，這樣它接替向后滑動的模板6來支撐芯20，并通過帶30來將棒2捆扎到芯20，同時第一個環(huán)34進(jìn)一步沿著導(dǎo)桿5滑動，再系另一條帶30。
在上述步驟結(jié)尾，獲得了組件40，其通過環(huán)34被支撐在工作臺3上并由靠著芯20安裝成圓環(huán)的棒2限定，由帶30保持，而現(xiàn)在模板6完全釋放并移動至端部33，隨著該模板從棒2和芯20上釋放，它們逐漸滑下導(dǎo)桿5。
換句話說，執(zhí)行的步驟就是環(huán)34滑至與工作臺3的端部32相鄰的組件40的第一個端部41時，模板6滑出組件40(部分地顯示于圖3的截面圖中)的與第一個端部相反的第二個端部42，并與工作臺3的端部33相鄰。
此時，銅管50(圖4)滑至組件40上，從組件40的第一個端部41開始；而且同時，當(dāng)管50到達(dá)帶30時，該帶被逐漸切斷，并且支撐環(huán)34逐漸滑出組件40的第二個端部42，以最終獲得組件40/銅管50的組件，其中棒2完全由銅管50固定在靠著銅芯20的位置上，該銅管與芯20同心且同軸安裝。
上述步驟是通過分別安裝于工作臺3端部32和33的兩個輔助裝置52和54(圖4)進(jìn)行的。
更具體地，裝置52為所謂的“夾送輥”裝置，可移動地安裝于工作臺3(例如這樣它可以移至一邊)，其包括兩個平行安裝的并具有可調(diào)中心距離的輥子55、56。輥子55、56通過例如液壓或氣缸等壓縮裝置57來使其相互壓緊，來夾緊管50，如圖4所示，并且其中至少一個輥子(在本例中為輥子56)由電機(jī)驅(qū)動。
裝置54通過可向“夾送輥”裝置52軸向移動(例如沿著導(dǎo)桿5)的反向頂頭來限定，其包括頂板60、與導(dǎo)桿5平行的液壓或氣缸61。
在所述的步驟中，銅管50通過“夾送輥”裝置52的作用，即通過具有動力的輥子56摩擦地將軸向力施加于管50；從組件40的第一個端部41滑至組件40，并且同時，組件40軸向頂置于反向頂頭54的頂板60上，在此步驟中，通過止動機(jī)構(gòu)或閘(為了簡便未在圖中示出)防止反向頂頭54沿著導(dǎo)桿5的滑動。
將銅管50安裝至組件40的最后階段(即如圖4所示，當(dāng)管50幾乎完全安裝至組件40上時)，是通過停止輥55、56的轉(zhuǎn)動來夾緊銅管50來進(jìn)行的，通過軸向向前移動反向頂頭54，本例中是通過氣缸61來向前移動頂板60，此時，以便將組件40反向地插入管50中。
在管50安裝至組件40上之后，其與靠近端部41的環(huán)34接觸，并將其朝向端部42推進(jìn)，使其與下一個環(huán)34接觸，如此直至隨著銅管50逐漸安裝于組件40，環(huán)34全部逐漸推向端部42。當(dāng)去除帶30時，若要提高此步驟的效率并同時將組件40保持在一起，根據(jù)本發(fā)明，環(huán)34基本上應(yīng)具有與銅管50相同的徑向尺寸(內(nèi)徑和外徑)。
此時，管50/組件40從工作臺3移開，根據(jù)本發(fā)明，經(jīng)過多個冷拔操作來逐漸減少其橫截面來增加它的長度，最終獲得需要尺寸的棒狀半成品1。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，在冷拔之后，對棒狀半成品1進(jìn)行鹽浴式熱處理，但首先將其相對的兩端用蓋子70(圖5中示出了其中一個)基本上以液密封的方式封閉。
蓋子70為杯狀以安裝在棒狀半成品1相對的兩端，由比銅的熱膨脹系數(shù)低的材料例如鐵制成，這樣可以自動密封。事實上，當(dāng)受熱進(jìn)行熱處理時，鐵膨脹小于銅的膨脹，這樣能夠充分密封，使蓋子70過盈配合于棒狀半成品1上。
更具體地，組件40/銅管50構(gòu)成的組件在進(jìn)行了第一步拉伸之后獲得了相對較小的截面積下降，范圍在4％至9％之間，這樣鎖住銅芯20、銅管50和棒2，使它們彼此機(jī)械地連成一體；然后經(jīng)過一系列連續(xù)的拉伸步驟，每次截面積以固定量降低，直到獲得需要的尺寸。
以大約18％至24％的截面積下降速率來進(jìn)行每次連續(xù)拉伸步驟，來降低組件40/銅管50構(gòu)成的組件的截面。
在拉伸之前，組件40/銅管50組件的相對端部可以被氣密地密封，例如通過一次性聚酰胺或聚乙烯(disposable polyamide or polyethylene)密封來保護(hù)部件防止氧化。但是，與傳統(tǒng)的組件不同，不再需要真空，因為在拉伸時，在管50內(nèi)部或在芯20和棒2之間的空氣可以從管50的端部漏出，此階段密封被破壞或去除。在任何情況下，在第一個拉伸步驟中，管50在長度上的增加要比芯20和棒2大，這樣形成了“補(bǔ)償”室可以接收從零件中泄漏的空氣。
在上述的步驟結(jié)束時，獲得了長度為10-14m、直徑為60-80mm的棒狀半成品1，之后對其進(jìn)行鹽浴式熱處理，然后可以對其進(jìn)行傳統(tǒng)的連續(xù)拉伸操作的冷處理過程來獲得要求尺寸的超導(dǎo)體電纜。
然而，超導(dǎo)體電纜的特征為具有相當(dāng)高的臨界電流(Jc)，通常，高出相同橫截面和化學(xué)成分的、由經(jīng)過熱擠壓形成的半成品制成的超導(dǎo)體電纜至少20％。
使用本發(fā)明的合成方法，該產(chǎn)品(棒狀半成品1)具有比擠壓形成的半成品在質(zhì)量指標(biāo)值“n”和軸向常數(shù)α值上高出大約30％，也就是說，典型的擠壓的半成品棒的端部沒有大約20％的變化，這樣可以減少浪費(fèi)。
權(quán)利要求
1.一種由棒制造超導(dǎo)體電纜的方法，所述棒包括由超導(dǎo)體材料特別是NbTi合金制成的單絲或多絲，以及銅套所限定的芯，其間可以具有由貴重金屬或合金制成的屏障層，其中所述的棒裝配在一個銅殼的內(nèi)部，并且這樣成形的組件經(jīng)過一系列的塑性變形步驟；其特征在于，所述步驟全部為冷塑性變形步驟。
2.一種獲得棒狀半成品的合成方法，所述棒狀半成品特別是用于如權(quán)利要求1所述的制造方法中，其特征在于，包括如下步驟形成如權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)體銅棒，其具有圓形截面和相對較長的長度；使用可以像書那樣打開的、安裝在裝配工作臺上并可在其上滑動的一個安裝模板，在與該棒在長度上基本相同的圓柱形銅芯的周圍裝配該棒，該模板具有呈圓形分布的用來支撐棒的通孔，并具有一個用來支撐該芯的中心通座；將棒捆扎到芯的外側(cè)面來獲得一個組件，該組件通過呈圓形地依靠在芯四周的、用帶組合在一起的棒來限定；將放置在裝配工作臺上的多個金屬支撐環(huán)滑動到這樣形成的組件的第一端并裝入該棒，同時將該模板由與該組件的第一端相對的第二端滑出；從所述的第一端開始，將銅管滑動到如此形成的組件，同時隨著銅管到達(dá)該帶，逐漸切割該帶，并將支撐環(huán)從該第二端滑出，以便最終獲得組件/銅管組件，其中所述棒通過與芯同心安裝的銅管保持在銅芯的位置上；對組件/銅管組件進(jìn)行一系列的拉伸操作，來逐漸降低組件的橫截面積來增加組件的長度，從而獲得所需尺寸的棒狀半成品。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述環(huán)具有基本上與銅管相同的徑向尺寸，隨著銅管逐漸安裝于組件上，銅管將環(huán)逐漸推向第二端。
4.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，在冷拔步驟的結(jié)尾，對該棒狀半成品進(jìn)行鹽浴式熱處理。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，在該鹽浴式熱處理步驟之前，用蓋子將棒狀半成品相對的端部以液密封的方式封閉。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述蓋子是杯狀的，以安裝在棒狀半成品的相對端部；其中蓋子由比銅的熱膨脹系數(shù)低的材料例如鐵制成，這樣可以自動密封。
7.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，組件/銅管組件首先進(jìn)行第一步拉伸，以獲得了相對較低的、介于4％至9％之間的截面降低，這樣鎖住所述銅芯、銅管和棒，使它們彼此機(jī)械地連成一體；然后進(jìn)行一系列連續(xù)的拉伸步驟，每次將截面以固定量降低，直到獲得所需的尺寸。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，以大約18％至24％的截面降低率執(zhí)行每一個連續(xù)的拉伸步驟，以降低組件/銅管組件的截面。
9.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，通過可移動地安裝于工作臺一端的“夾送輥”裝置，將所述銅管從組件的第一端部滑至所述組件上；所述的“夾送輥”裝置包括通過壓縮工具相互壓緊在一起的兩個輥子，所述的管夾在該兩個輥子之中；并且至少一個輥子由電機(jī)驅(qū)動。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，在所述組件的第二端部，所述裝配工作臺安裝有一個反向頂頭，其可朝“夾送輥”裝置作軸向移動；當(dāng)裝配銅管時，該組件軸向頂置于所述反向頂頭；將銅管安裝至組件的最后階段是通過停止輥子的旋轉(zhuǎn)并夾緊銅管，并通過軸向向前進(jìn)給該反向頂頭將組件插入該管中來進(jìn)行的。
11.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，在執(zhí)行將棒安裝至銅芯周圍的步驟之前，通過將棒和芯浸入多個槽中并烘干的步驟來對其進(jìn)行化學(xué)處理，上述步驟是通過將棒和芯插入設(shè)計為支撐棒和芯整個長度的、側(cè)面敞開的旋轉(zhuǎn)籃中，并將該旋轉(zhuǎn)籃浸入槽中來進(jìn)行的。
12.使用如權(quán)利要求1所述的方法制造的超導(dǎo)NbTi電纜，其特征在于，具有相當(dāng)高的臨界電流，通常高出由相同橫截面和化學(xué)成分、經(jīng)過熱擠壓形成的半成品制成的超導(dǎo)電纜至少20％。
全文摘要
本發(fā)明設(shè)計了一種完全通過冷塑性變形來獲得棒狀半成品的合成方法，包括的步驟為形成圓形截面的、單絲或多絲的相對較長的超導(dǎo)銅棒；使用安裝在裝配工作臺上并可在上面滑動的模板，在大約相同長度的圓柱形銅芯周圍安裝該棒，該模板具有呈圓形分布的用來支撐棒的通孔，以及用來支撐芯的中心通座；將棒用帶捆扎到芯的外側(cè)表面；將多個放置于裝配工作臺的金屬支撐環(huán)滑動至如此形成的組件的一端，而將模板滑出組件的另一端；將一個銅管滑套到該組件上，同時軸向順序切割捆扎帶并滑出支撐環(huán)；在完成的組件上執(zhí)行多個拉伸操作，來逐漸降低組件的橫截面并增加組件的長度以獲得要求尺寸的棒狀半成品，在經(jīng)過鹽浴式熱處理之后，通過冷拔獲得超導(dǎo)電纜。
文檔編號H01B13/00GK1508813SQ20031010275
公開日2004年6月30日 申請日期2003年10月23日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月23日
發(fā)明者塞爾希奧·羅西, 塞爾希奧 羅西 申請人:Ems-歐羅巴金屬超導(dǎo)體股份公司