CC BY
84
УДК 620.1+539.3
ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА НАНОКОМПОЗИЦИОННЫХ СВЕРХПРОВОДНИКОВЫХ ИЗДЕЛИЙ
Г. Л. Колмогоров, Т.В. Чернова, М.В. Снигирева
В статье излагаются особенности технологии производства низкотемпературных сверхпроводников для Международного термоядерного экспериментального реактора.
Ключевые слова: Сверхпроводимость, пластическая деформация, нанокомпозит.
Исчезновение электрического сопротивления у некоторых материалов при охлаждении до низких температур было обнаружено впервые в 1911 г. Камерлингом - Оннесом и названо сверхпроводимостью. Интенсивные теоретические и экспериментальные исследования сверхпроводящих материалов, выполненные в 60-70-х годах прошлого столетия, привели к открытию сверхпроводников, число которых на данный период достигает несколько тысяч. При этом обозначились перспективы широкомасштабного применения сверхпроводников в энергетике, электротехнике, физике высоких энергий, установках термоядерного синтеза, в медицине, в металлургии.
В настоящее время в России организовано производство низкотемпературных сверхпроводящих материалов (НТСП) для магнитной системы международного термоядерного экспериментального реактора (ИТЭР), строительство которого начато в атомном центре Кадараш во Франции [1]. Это производство является обязательством России по участию в строительстве ИТЭР. Общее необходимое количество сверхпроводников для магнитной системы ИТЭР составляет более 700 тонн [2].
Технические сверхпроводящие кабели представляют собой сложные наноструктурные металломатричние композитные конструкции из разнородных материалов с ультратонкими (диаметром 5-7 мкм) волокнами собственно сверхпроводникового материала (рис. 1). Для ИТЭР планируется изготовление низкотемпературных сверхпроводников на основе материалов №-Т и NbзSn.
Композиционные сверхпроводники представляют собой трансверсально изотропную среду [3], состоящую из сердечника, включающего большое количество непрерыных сверхпроводящих волокон из N6 или сплава №-Т^ содержащихся в металлической матрице (оболочке) с высокой тепло- и электропроводностью.
Рис. 1. Сверхпроводник для модельной катушки ИТЭР (1 - сердечник, 2
- оболочка, диаметр 0,8 мм) [2]
Технология получения сверхпроводников включает получение литой заготовки, прессование и волочение на конечный размер с промежуточными отжигами. При этом операция волочения является одной из самых трудоемких и ответственных в технологической цепочке производства сверхпроводников и в значительной степени определяет качество готовой продукции. Процесс волочения заключается в протягивании заготовки через конический волочильный инструмент (рис. 2), общее количество переходов при производстве сверхпроводников составляет несколько десятков. Передний конец протягиваемой заготовки находится в условиях одноосного растяжения, при этом возникает опасность его разрушения при превышении предельных обжатий. Величина обжатия за проход волочения определяет, в свою очередь, общее количество проходов в процессе изготовления сверхпроводника.
Рис. 2. Схема деформирования композитной заготовки в конической матрице
Технология волочения, используемая при производстве сверхпро-водниковых изделий, является опасной с точки зрения возможного нарушения сплошности сверхпроводниковых волокон и матрицы из бронзы.
Процесс волочения принято характеризовать следующими основными геометрическими показателями: вытяжка, интегральная деформация удлинения, относительное обжатие, относительное удлинение [4].
Переработка слитков N6 и сплава КЪТ в многожильные композиты базируется главным образом на использовании оборудования и методов, разработанных для традиционных металлов, таких как медь, сталь, титан, поэтому технология производства многожильных сверхпроводников должна учитывать особенности их конструкции.
Оборудование для деформации сверхпроводниковых композиционных изделий, реализуемой в условиях ОАО «Чепецкий механический завод»:
- Цепной стан усилием 50 тонн;
- Однониточный - деформация с диаметра 70мм до 30мм;
- Горизонтальные волочильные барабаны.
Диаметры барабанов:
- 2500мм - деформация с диаметра 30мм до диаметра 20мм;
- 1500мм - деформация с диаметра 25мм до диаметра 10мм;
- 1000мм - деформация с диаметра 20мм до диаметра 5,7мм;
- 750мм - деформация с диаметра 10мм до диаметра 3,5мм;
- 450(350)мм - для однократной или многократной деформации с диаметра 4мм до диаметра 0,7мм.
В процессе волочения изменяются геометрические размеры протягиваемой заготовки. Одним из наиболее важных показателей, характеризующих пластическую деформацию, является коэффициент вытяжки, который для произвольного /-того перехода имеет следующий вид:
1 — % _ 4>/ /1 ч
1 _^_^2, (1)
^1/ й1/
где ^0г и - площади сечения до и после перехода; й0/ - диаметр заготовки до входа в инструмент; - диаметр заготовки на выходе из ин-
струмента.
При многократном волочении определяется суммарная вытяжка
11 _(2)
к
где и ¥к - начальная и конечная площадь сечения протягиваемого изделия соответственно, которая равна произведению разовых вытяжек по переходам маршрута многократного волочения
1Е _ 111213...1 п . (3)
При одинаковых значениях разовых вытяжек Лср суммарная вытяжка равна
1Е —1ср, (4)
где п - количество переходов маршрутов многократного волочения.
Для оценки трудоемкости изготовления сверхпроводниковых изде-
лий, в случае реализации одинаковых коэффициентов вытяжки по маршруту многократного деформирования сверхпроводниковой заготовки, целесообразно введение усредненного по технологическому циклу коэффициента вытяжки Лср. Тогда из соотношения (4) для усредненного коэффициента вытяжки получим количество переходов многократного волочения, необходимое для производства того или иного сверхпроводникового изделия заданного сечения:
п
2 • 1п
/1п(іср ),
(5)
где d0, dк - диаметры исходной сверхпроводниковой заготовки и готового сверхпроводника соответственно.
Вытяжка за проход определяется прочностью переднего конца заготовки, к которому приложено усилие волочения. Усилие деформирования при этом зависит от геометрии инструмента, сопротивления деформации протягиваемого материала, коэффициента трения в зоне деформации, наличия противонатяжения в процессе деформации.
Как правило, при волочении принимается 1 <1,30, поскольку превышение коэффициентом вытяжки данной величины может привести к обрыву переднего конца протягиваемой заготовки. Вытяжка 1,30 применяется для деформации пластичных материалов. Композитные материалы для сверхпроводниковых изделий к таким материалам не относятся, так как содержат в качестве компонентов малопластичный сплав ниобия и титана, а также высокооловянистую бронзу. В качестве средней вытяжки в работе принято 1ср = 1,20 .
При выборе среднего коэффициента вытяжки при волочении принимается во внимание в первую очередь рациональность предлагаемых маршрутов производства сверхпроводников. Сравнительно средние значения коэффициента вытяжки обеспечивают гарантированное сохранение прочности сверхпроводниковой заготовки в целом и волокон сверхпроводника центральной части. Расчетные значения количества переходов по формуле (5) для различных значений вытяжки при деформации заготовки МЬТ сверхпроводника с начального диаметра d0 = 70 мм до диаметра готового изделия dк = 0,73±0,005 мм и при деформации заготовки МЬ^п сверхпроводника с начального диаметра d0 = 60 мм до диаметра готового изделия dк = 0,82±0,005 мм приведены в таблице.
Количество переходов волочения при производстве
1ср 1,05 1,10 1,15 1,20 1,25
МЬТі 187 96 65 50 41
МЬ^п 176 90 61 47 38
Из таблицы следует, что с увеличением вытяжки количество переходов многократного волочения уменьшается, при этом превышение вытяжки 1 ср > 1,20 не приводит к существенному снижению количества переходов, однако при этом повышается вероятность разрушения заготовки в процессе деформации.
В работе [5] определена оптимальная вытяжка в зависимости от
технологических параметров волочения:
^ 2 ^
0,5
а в
(6)
/
\ У
где /- коэффициент трения; ав - угол конусности волочильного инструмента.
Для коэффициента трения /=0,05 и а в = 8°, что соответствует волочению меди и сплавов на никелевой основе в упрочненном состоянии через алмазные волоки [4] расчеты по формуле (6) дают значения оптимальной вытяжки 1 = 1,20 . Таким образом, для маршрута многократного волочения при производстве низкотемпературных сверхпроводниковых изделий для ИТЭР принят коэффициент вытяжки 1ср = 1,20 .
Рассчитаем количество переходов многократного деформирования по формуле (5) МЬТ сверхпроводника для вытяжки 1ср = 1,20: п1=9 переходов при деформации с диаметра 70 мм до диаметра 30 мм; п2=41 переход при деформации с диаметра 30 мм до диаметра 0,73±0,005 мм.
Соответственно количество переходов многократного деформирования по формуле (2.5) МЬ^п сверхпроводника для вытяжки 1ср = 1,20:
п1=7 переходов при деформации с диаметра 60 мм до диаметра 30 мм; п2=40 переход при деформации с диаметра 30 мм до диаметра 0,82±0,005 мм.
Полученное количество переходов многократного деформирования свидетельствует о значительной трудоемкости и уникальности технологии производства сверхпроводниковых изделий.
Список литературы
1. Сверхпроводимость: опыт создания высокотехнологичного производства в ОАО «ЧМЗ» // Нанотехнологии. Экология. Производство. 2009. №1. С.80-83.
2. Шиков А.К., Никулин А.Д., Силаев А.Г. и др./Разработка сверхпроводников для магнитной системы ИТЭР в России//Известия ВУЗов. Цветная металлургия. 2003. №1. С. 36 - 43.
3. Кристенсен Р. Введение в механику композитов. Пер. с англ. М. Мир, 1982. 334 с.
4. Перлин И. Л., Ерманок М.З. Теория волочения, 1971. 448 с.
5. Колмогоров Г.Л., Латышева Т.В., Филиппов В.Б./Известия ВУЗов. Черная металлургия. 2007. №4. С. 41-43.
Колмогоров Герман Леонидович, докт. техн. наук, проф, заведующий кафедрой Динамики и прочности машин, Россия, г. Пермь, ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
Чернова Татьяна Вячеславовна, канд. техн. наук, доцент кафедры Динамики и прочности машин, Россия, г. Пермь, ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
Снигирева Марина Викторовна, старший преподаватель кафедры Динамики и прочности машин, Россия, г. Пермь, ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
FEATURES OF THE PRODUCTION TECHNOLOGY NANOCOMPOSITE SUPERCONDUCTING PRODUCTS
G. L Kolmogorov, T. V. Chernova, M. V. Snigireva
Annotation: In article features of the production technology by low-temperature superconductor production for international thermonuclear experimental reactor are stated.
Key words: superconductivity, plastic strains, nanocomposite.
Kolmogorov German Leonidovich, the Doctor of Technics, professor, Acting Head of the Department for Dynamics and strength of machines, Russia, Perm, «State National Research Politechnical University of Perm»
Chernova Tatyana Vjacheslavovna, Cand.Tech.Sci., the associate professor of the Department for Dynamics and strength of machines, Russia, Perm, «State National Research Politechnical University of Perm»
Snigireva Marina Viktorovna, the assistant professor of the Department for Dynamics and strength of machines, Russia, Perm, «State National Research Politechnical University of Perm»
