專利名稱：一種軋制超導導線的軋機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種軋機，尤其涉及的是用于軋制超導導線的恒壓型軋機。
軋制后導線需滿足以下幾點(1)獲得的導線包括超導體核的幾何尺寸均勻、平整。(2)超導體核的晶向符合要求，沒有微斷裂。如在Bi系2223相高溫超導導線的制備過程中，由于Bi系2223相材料的機械性能是各向異性的，材料的結構如

圖1所示，在結構上為垂直C軸的層狀結構，傳輸電流在(a，b)面內的臨界電流密度比在C軸方向要高，所以最好使超導體晶體的(a，b)面沿著導線的長度方向。(3)超導體的密度足夠高，且能形成較好的織構。
為了達到以上目的，一般采用的方法有下面幾種(一)壓制通常，壓制可以分為兩種靜態(tài)和半連續(xù)的壓制。在美國專利US5639714中涉及了靜態(tài)壓制的方法，所加負載至少1000kg/cm2。在參考文獻(Lahtimem M et al，Physica C 244(1995)115)中涉及了半連續(xù)地壓制的方式，它是利用兩個壓模在垂直方向上給導線施壓，并且采用一種特殊設備使壓模實現導線長度方向的運動，以傳輸導線。導線所受的壓力在整個壓制過程中基本上保持恒定，從而使整個導線平整。
壓制的工作原理可以按以下的模型來分析如圖2所示，當壓力加在Z方向時，導線可以在X、Y方向上移動。在實際工藝中，導線的形變主要受三方面的影響1)鐵砧與導線本身的機械性能。2)鐵砧與導線界面之間的摩擦力。鐵砧與導線界面之間的摩擦力在導線的擴展過程中起著非常重要的作用。當摩擦力小時，在同樣的壓力下擴展就大。另外，由于界面之間的摩擦力的作用，在塑性形變中導線內部的壓力和張力是不均勻的，這種不均勻的變形導致如圖2所示的角形區(qū)域(圖中的陰影部分)的形成，該區(qū)域會比其余部分形成較少的變形。3)導線的厚度H和導線與輥子的接觸長度L之間的比例H/L。導線的形變依賴于H/L，當H/L較小時，引起導線擴展所需的壓力就較大，擴展也會較小，反之，當H/L較大時，所需的壓力就較小，擴展也會較大。另外，如果在x和y方向的接觸長度不同，擴展也會不同，例如，當x方向的接觸長度Lx比y方向的接觸長度Ly短時，在x方向上的擴展會比y方向的擴展大。
根據以上的工作原理，如果能較好地設計以上三方面的參數，就能提高超導體的致密度，優(yōu)化晶粒的排列方向，形成較均勻的電流傳輸通道，從而有效地提高超導性能。但壓制的過程不連續(xù)，只是一段一段地壓制導線，這樣與軋制相比在單位時間內能夠壓制的導線的長度會少得多，對于長導線如長度大于1000米的導線的制作缺乏實用性。(二)軋制所謂軋制，就是金屬坯料與一對旋轉的軋輥相接觸后，軋件在軋輥摩擦力的作用下進到軋輥的輥縫里，產生塑性變形，成為一定形狀和尺寸的制品。軋制方法在美國專利US5304602、US5296456和US5187149中都有提及，其中在美國專利US5187149中所述的軋制是在低于800℃下進行的。
軋制過程涉及許多工藝參數，如軋輥直徑、軋輥速度、導線減小比例、粉末的顆粒大小、起始的導線與套管的界面的光滑度和導線的厚度，但所制備的導線內超導體的密度主要由前驅粉末、套管材料和參數H/L1決定。
1)前驅粉末和套管對導線形變的影響。經過軋制，核中各物質分布的對稱性會發(fā)生改變，如果核心的密度不是很高，可以被看作帶材的軟的部分，經過形變以后，核會比套管發(fā)生更顯著的變形。另一方面，當核的密度很高，套管可以看成帶材軟的部分，那么就不能傳輸足夠高的壓力給核心使核心的密度增加。
2)參數H/L1對導線形變的影響。如果導線的高度比軋輥的直徑小得多，軋制過程中導線所受的壓力可以根據如下模型進行分析如圖3所示，帶材的平均厚度H為H＝(H1+H2)/2，其中H1為導線的初始厚度，H2為導線經過軋制后的厚度，導線與輥子的接觸長度為L1,L1≈RδH]]>，其中R為輥子的半徑，δH為帶材厚度的減小，因而H/L1≈H/RδH]]>，它的大小依賴于輥子的半徑、帶材的厚度以及帶材厚度的減小量。當H/L1較小時，引起帶材擴展所需的壓力就較大，當H/L1較大時，所需的壓力就較小，擴展也會較大。
通常，在超導帶材軋制過程中出現的問題是“香腸效應”。在實際工藝中，當導線經過低溫熱處理后，常常出現不均勻現象，即香腸效應，該效應可以用粉末流動模型來解釋當軋制開始時，由套管材料驅動粉末流動，使粉末的密度增加，當粉末達到臨界密度時，粉末的流動由于粉末之間的摩擦力會停止，套管材料在長度方向上的自由度限制了套管材料提供給粉末的最大壓力，導致套管材料沿著帶材在致密的粉末區(qū)域的流動，當達到銀帶(由于套管材料通常是銀或銀合金，因此帶材也稱為銀帶)最小的密度部分時，套管材料又能驅動粉末流動，因而間歇性的香腸效應就形成了。作為這種不均勻變形的結果，銀帶不僅在幾何尺寸上顯示不均勻性，而且在其他方面也顯示了不均勻性，甚至不連續(xù)的性質，如超導體晶體的微斷裂和位錯。香腸效應表現為套管與超導體核之間形成不平整的界面，超導體核的形狀與香腸類似，香腸窄的部分會減少超導核實際的截面面積，因而減少了總的臨界電流，更嚴重的是，在香腸效應的形成過程中會引入微斷裂或孔洞，其方向為沿導線的寬度方向，這些微斷裂或孔洞將嚴重影響超導體的致密性，降低臨界電流，甚至使電流斷路。香腸效應還會引起導線機械性能的不均勻，降低導線的彎曲和拉伸性能。產生香腸效應的原因主要有以下三個方面，一是由于套管與超導體核有不同的機械強度，套管的材料采用銀合金而不是純銀能較大地降低香腸效應；二是由于超導體核本身在結構上各向異性，即在不同的方向上超導體的硬度和強度都不同，在寬度方向的多相性對機械性能的影響并不是最關鍵的，因為在多數情況下主要的壓力是在長度方向上，所以在軋制工藝中主要是需要避免長度方向上的香腸效應；三是由于軋機的設計原因。因此，改進軋機的性能可能是大幅度地降低香腸效應的一種有效途徑。
由于軋機的性能對香腸效應有很大的影響，所以在軋機的性能改善方面進行了一些嘗試，主要包括以下的幾個方面(1)四輥軋制。
一般軋機只有一對軋輥，但在參考文獻(Tenbrink，et al，AppliedSuperconductivity Conference，Chicago Aug.P23-28，1992和Motowidlo，Materials Research Society Meeting，Apr.12-15，1993)中描述了采用四個軋輥的軋制方法。該軋機采用兩對互相垂直的軋輥。它們的軋制方法如下導線穿過一對旋轉的有一定間距的軋輥，兩個附加的軋輥放在導線的兩側，垂直于軋輥，在導線的兩邊控制軋制過程中導線的形變。通過這種方法能形成有效的織構，但不能提供足夠的臨界電流密度。(2)提高軋制過程中軋輥與導線之間的摩擦力。
在美國專利US5434130中提出采用這種方法可以提高前驅粉末的密度，從而提高臨界電流密度。具體的措施有以下三種1)在軋輥表面增加一層膜，該膜的摩擦系數比軋輥表面的摩擦系數大。
2)在軋制過程中提供給軋輥表面一種覆蓋材料。
3)打毛軋輥表面。
第一種措施的缺點是薄膜在軋制過程中有可能變形，影響所軋制的導線的平整性。
第二種措施的缺點就是覆蓋材料有可能揮發(fā)不完全，殘余部分可能污染導線。
第三種措施的缺點就是打毛的軋輥表面在軋制過程中有可能影響所獲得的導線的幾何精度。(3)半連續(xù)的軋制。
輥子的運動軌跡如圖4中的虛線所示，其中1為軋輥。它的缺點是壓制的不連續(xù)性使有的地方壓上，而有的地方沒壓上，且由于輥子的環(huán)線運動，加工速度慢。(4)大輥軋機。
這種方法的優(yōu)點是局部很平，軋制是連續(xù)的，但該種方法在實際應用中受到很大的限制，因為通常軋制薄的高溫超導帶材時采用較小直徑的軋輥。采用較小的軋輥直徑的主要原因有以下三個方面1)一定直徑的軋輥所能軋制工件的厚度存在一個最小值，這主要是因為輥身直徑太大時，軋輥的彈性壓扁變形也較大。M.D.Stone(《壓力加工設備》，1995年，P16，熊及滋，冶金工業(yè)出版社)根據軋機上最小可軋厚度的臨界條件，推導出軋輥直徑的公式D＝0.28Ehmin/f(k-σp)，式中D為軋輥直徑，E為軋輥的彈性系數，hmin為帶材的最小厚度，f為軋輥與帶材間的摩擦系數，k為帶材的條件屈服限，σp為平均張力，大小為(T0+T1/2)，T0為后張力，T1為前張力。hmin越小，即軋件越薄，軋輥直徑D越小，直徑太大的輥身無法軋制很薄的薄板。
2)輥身直徑太大時，由于加工精度引起的加工誤差較大，從而使輥縫的設定很難精確。當銀帶的厚度為0.2mm，加工精度為5％時，誤差只能為0.01mm，而輥子的直徑為400mm，要使誤差為0.01mm，精度必須達2.5×10-5，這樣的精度在實際加工工藝中是很難達到的。
3)軋機體積大、笨重且價格貴。
所以，在一般的軋制工藝中還存在由于采用常軋輥間距帶來的困難，即利用常軋輥間距很難精密地控制軋件的質量。由于進入輥縫的導線的尺寸是不均勻的，這些導線經過同樣間距的軋輥軋制時，導線高度小于輥縫間距的將受不到軋輥的壓力，導線高度等于輥縫的也幾乎受不到軋輥的壓力，而導線高度越是大于輥縫間距的，則所受到的軋輥的壓力越大。因而，不同尺寸的導線經過常間距的軋輥將受到不同程度的壓力，從而產生不同的形變，且由于輥子本身的加工誤差也會導致導線經過軋輥受到不同程度的壓力。
在實際的軋制工藝中，導線所受的壓力F與導線的臨界電流Ic之間存在如圖7所示的關系，F的波動引起Ic的變化，且存在一個最佳的F值能使Ic達到最大值。由此，可以采用恒壓而不是常軋輥間距的方法來制備均勻的超導導線，以使導線獲得最大的臨界電流，加在導線上的壓力采用這個最佳的F值。
本發(fā)明的其它目的是分別提供加重式、杠桿式、液壓式和彈簧式的恒壓型軋機，所述的軋件可以是線狀、帶狀以及其他有兩個相對的平面需要擴展的軋件。
本發(fā)明的另一目的是提供一種恒壓型軋機，所述的軋機能有效地提高軋制精度及軋件的均勻性，消除一般軋制過程中容易出現的香腸效應，特別適宜于高溫超導導線的軋制，并且也可以用于其他種類材料的軋制，從而可提高所制備的高溫超導導線的電學性能和機械性能。軋件可以是線狀、帶狀以及其他有兩個相對的平面需要擴展的軋件。
本發(fā)明所述的恒壓型軋機，它是利用給軋件施加恒壓的方式進行軋制，其工作原理如下導線所受的壓力F與導線的臨界電流Ic之間存在如圖7所示的關系，F的波動引起Ic的變化，且存在一個最佳的F值能使Ic達到最大值。因此，可以采用恒壓方法，而不是常軋輥間距的方法來制備均勻的超導導線，以使導線獲得最大的臨界電流，加在導線上的壓力采用圖7中所示的最佳的F值。
恒壓型軋機的軋輥間距不是定值，可在一定范圍內波動。另外，一般軋制薄的高溫超導帶材時軋輥直徑較小，其原因主要有以下三個方面一、太大的輥身無法軋制很薄的薄板；二、輥身直徑太大時，由于其加工精度引起的加工誤差較大，從而使輥縫的設定很難精確；
三、軋輥直徑太大的軋機體積大、笨重且價格貴。
所以，軋制薄的帶材需用小直徑的軋輥。但是，在制備高溫超導導線(即，線材)中，通常要選擇大直徑的軋輥，這將使所軋制的導線尺寸的精度受到很大的影響。因而，在本發(fā)明的軋制高溫超導導線的過程中，提出采用一種盤狀的具有較小輥身長度軋輥的盤狀輥恒壓型軋機。因為盤狀輥的輥身比較窄，即輥身的長度較小，所以加工導線時輥縫的精度較易控制，因此同樣直徑、同樣材料的輥子能壓更薄的導線，并且盤狀輥軋機的價格較便宜。
所述恒壓型軋機中所使用的輥子的直徑D與長度L之間的比例D/L＞1，輥子的直徑D可以選用200～800mm，輥身的長度為5～150mm，如在軋制過程中采用這種盤狀輥恒壓型軋機將會得到更好的軋制效果。
在本發(fā)明的盤狀輥恒壓型軋機中，通常使用的提供恒壓的方式可以有以下幾種(1)壓重式加恒壓如圖8所示，對需要加恒壓的動軸5提供支撐系統(tǒng)4，并根據需要通過支撐系統(tǒng)4在所述的動軸5上施加一定量的重物3，從而使導線受到恒壓。所述的壓重式恒壓型軋機如圖8所示，所述的軋機包括上輥1和下輥2，上輥1繞支撐它的動軸5轉動，該軸不是定軸而是動軸，其位置能在很小的范圍內波動，下輥2繞支撐它的定軸6轉動，該軸為定軸。在軋制開始時，兩輥之間有一定的距離，兩軸互相平行，在軋制過程中隨著軋件7的波動該距離會有微量的波動，兩個軋輥安裝在兩個支撐架8、9上，輥子的直徑為D，長度為L。
該軋機主要有以下優(yōu)點1)能很好地消除一般軋制過程中容易出現的香腸效應，獲得的導線幾何尺寸均勻、平整。
2)能優(yōu)化導線的晶粒取向，增加致密度，提高導線的電學性能和機械性能。
3)設備結構簡單，維護操作容易。
(2)杠桿式加恒壓如圖9所示，用杠桿加重物于上軸，從而使導線受到恒壓。如圖9所示的杠桿式加恒壓軋機，包括上輥1和下輥2，上輥1繞上面的動軸5轉動，該軸不是定軸，其位置能在很小的范圍內波動，下輥2繞下面的定軸6轉動，該軸為定軸，兩個軋輥安裝在兩個支撐架8、9上，輥子的直徑為D，長度為L。兩軸在同一個平面上，支撐系統(tǒng)4支撐在動軸5上，并利用加重杠桿3通過支撐系統(tǒng)4對動軸5加重W，杠桿的支撐點為支撐系統(tǒng)4的支撐面的中心，該點與上輥1的重心和導線的重心在同一直線上。在軋制開始時，兩輥1和2之間有一定的距離，兩軸互相平行，在軋制過程中該距離會有微量的波動，但在整個軋制過程中導線受到的壓力恒定。
該軋機主要有以下優(yōu)點(1)能很好地消除一般軋制過程中容易出現的香腸效應，獲得的導線幾何尺寸均勻、平整。(2)能優(yōu)化導線的晶粒取向，增加致密度，提高導線的電學性能和機械性能。(3)系統(tǒng)結構簡單，所加重物的重量易于調節(jié)，維護操作容易。
(3)液壓式加恒壓如圖10所示的液壓式恒壓型軋機，由液壓加壓裝置3通過支撐系統(tǒng)4向下對動軸5加壓，從而使導線7受到恒壓加壓。所述的液壓式恒壓型軋機包括上輥1和下輥2，上輥1繞上面的動軸5轉動，該軸不是定軸，其位置能在很小的范圍內波動，下輥2繞下面的定軸6轉動，該軸為定軸，兩個軋輥1和2分別通過動軸5和定軸6安裝在兩個支撐架8和9上，軋輥的直徑為D，長度為L。在軋制開始時，兩輥之間有一定的距離，兩軸互相平行，在軋制過程中該距離會有微量的波動，但軋制壓力保持恒定。
本軋機主要具有以下優(yōu)點(1)很好地消除一般軋制過程中容易出現的香腸效應，獲得的導線幾何尺寸均勻、平整。(2)能優(yōu)化導線的晶粒取向，增加致密度，提高導線的電學性能和機械性能。(3)系統(tǒng)結構簡單，所加壓力易于調節(jié)，維護操作容易。
(4)彈簧式加恒壓如圖11所示，所述的加彈簧式恒壓型軋機利用彈簧3施彈力于動軸5，從而使導線7受到恒壓。這種方法的特點是，雖然在動軸5上所加的不是恒壓，但接近恒壓。所述的加彈簧式恒壓型軋機包括上輥1和下輥2，上輥1繞上面的動軸轉動，該軸是動軸，其位置能在很小的范圍內波動，下輥2繞下面的定軸轉動，該軸為定軸，兩個軋輥1和2通過軸5和6安裝在兩個支撐架8和9上，軋輥的直徑為D，長度為L。兩個軸5和6在同一個平面上，通過支撐系統(tǒng)4利用位于支撐系統(tǒng)4和支撐架8之間的彈簧3對上面的動軸施加一定量的彈力。在軋制開始時，兩輥1和2之間有一定的距離，兩軸互相平行，在軋制過程中，該距離會有微量的波動，彈簧的硬度和剛度需適宜，以保證施加給動軸5的壓力只在一定的范圍內波動。
該軋機主要有以下優(yōu)點(1)能很好地消除一般軋制過程中容易出現的香腸效應，獲得的導線幾何尺寸均勻、平整。(2)能優(yōu)化導線的晶粒取向，增加致密度，提高導線的電學性能和機械性能。(3)系統(tǒng)結構簡單，所加彈簧的彈力易于調節(jié)，維護操作容易。
對于在不偏離本發(fā)明所述的恒壓型軋機以及所述的加恒壓的各種方式和從屬的權利要求所述的精神和范圍下，本技術領域的普通技術人員所作出的各種變動和修改均屬于本發(fā)明的保護范圍。
權利要求
1.一種新型軋機，其特征在于它包括一對軋輥、帶動所述的軋輥轉動的相應的軸、支撐所述軸的支撐架以及驅動所述軸轉動的驅動裝置，還包括配重及支撐配重的支撐系統(tǒng)；在所述的軸中一個是動軸，一個是定軸；被軋制物置于軋輥對之間進行軋制，軋輥之間的距離可在一定范圍內變化，在軋制過程中被軋制物受到恒定或近恒定的軋制壓力。
2.如權利要求1所述的軋機，其特征是，所述的恒壓型軋機包括上輥(1)和下輥(2)，上輥(1)繞支撐它的動軸(5)轉動，下輥(2)繞支撐它的定軸(6)轉動，動軸(5)和定軸(6)互相平行，兩個軋輥通過相應的軸安裝在兩個支撐架(8、9)上；通過支撐系統(tǒng)(4)在動軸(5)上加一定量的重物(3)，在軋制開始時，兩輥之間有一定的距離，在軋制過程中隨著軋制物的波動該距離會有微量的變化，但軋制物在軋制過程中受到的壓力恒定。
3.如權利要求1所述的軋機，其特征是，所述的恒壓型軋機包括上輥(1)和下輥(2)，所述的上輥(1)繞動軸(5)轉動，所述的下輥(2)繞定軸(6)轉動，兩軸(5)和(6)互相平行，所述的兩個軋輥分別通過動軸和定軸安裝在兩個支撐架(8、9)上，由杠桿系統(tǒng)(3)通過支撐系統(tǒng)(4)加重物W于動軸(5)上，從而使軋件(7)受到恒壓，杠桿的支撐點為支撐系統(tǒng)(4)的支撐面的中心，該點、上輥(1)的重心和軋制物的重心在同一直線上，在軋制開始時，兩輥(1)和(2)之間有一定的距離，在軋制過程中該距離會有微量的波動，但軋制物在軋制過程中受到的壓力恒定。
4.如權利要求1所述的軋機，其特征是，所述的恒壓型軋機包括上輥(1)和下輥(2)，上輥(1)繞動軸(5)轉動，其位置能在很小的范圍內波動，下輥(2)繞定軸(6)轉動，兩軸互相平行，兩個軋輥(1)和(2)分別通過動軸(5)和定軸(6)安裝在兩個支撐架(8)和(9)上，由液壓加壓裝置(3)通過支撐系統(tǒng)(4)向下對動軸(5)加壓，從而使軋制物受到恒定壓力，在軋制開始時，兩輥之間有一定的距離，兩軸互相平行，在軋制過程中該距離會有微量的波動，但軋制壓力保持恒定。
5.如權利要求1所述的恒壓型軋機，其特征是，所述的恒壓型軋機包括，上輥(1)和下輥(2)，上輥(1)繞動軸(5)轉動，其位置能在很小的范圍內波動，下輥(2)繞定軸(6)轉動，兩軸互相平行，兩個軋輥(1)和(2)通過軸(5)和(6)安裝在兩個支撐架(8)和(9)上，通過支撐系統(tǒng)(4)利用位于支撐系統(tǒng)(4)和支撐架(8)之間的彈簧(3)對動軸(5)施加一定量的彈力，從而使軋制物受到近恒定的壓力，在軋制開始時，兩輥(1)和(2)之間有一定的距離，在軋制過程中，該距離會有微量的波動，但軋制物受到的壓力接近恒定，彈簧需有適宜的硬度和剛度，以保證施加給動軸5的壓力只在一定的范圍內波動。
6.根據權利要求1-5所述的恒壓型軋機，其特征在于用于高溫超導導線(BSCCO)的軋制。
7.根據權利要求1-6所述的恒壓型軋機，其特征在于軋輥采用盤狀(D/L＞1)，且輥子的直徑D可以選用200～800mm，輥身的長度L為5～150mm。
8.根據權利要求1-5所述的恒壓型軋機，其特征在于恒壓的壓力為5-5000kg。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種新型軋機。它包括一對軋輥、帶動所述的軋輥轉動的相應的軸、支撐所述軸的支撐架以及驅動所述軸轉動的驅動裝置，還包括配重及支撐配重的支撐系統(tǒng)。在所述的軸中一個是動軸，一個是定軸。所述的超導導線置于軋輥對之間進行軋制，在軋制過程中材料受到恒定或近恒定軋制壓力。所述的軋機可以均勻、平整地軋制超導導線包括薄的帶材或線材，可提高超導導線的綜合性能。
文檔編號B21B27/02GK1400064SQ0112387
公開日2003年3月5日 申請日期2001年8月8日 優(yōu)先權日2001年8月8日
發(fā)明者韓征和 申請人:北京英納超導技術有限公司