Verfahren zur Herstellung feuerverzinnter Drähte

Abstract

 Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung verzinnter Drähte aus NE-Metallen, insbesondere Kupfer oder Kupferlegierungen für elektotechnische Zwecke, bei dem der Draht in einer ersten Stufe galvanisch mit einer Schichtdicke von 0,5 bis 5 µm vernickelt und in einer zweiten Stufe mit einer Schichtdicke von 0,5 bis 10 µm, vorzugsweise 1 bis 5 µm, feuerverzinnt wird.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung verzinnter Drähte aus NE-Metallen, insbesondere Kupfer oder Kupferlegierungen für elektrotechnische Zwecke durch zweistufige Veredelung, wobei die Drähte einen Durchmesser von 0,1 bis 2 mm besitzen und wobei das NE-Metall zumindest als Mantel auf der Drahtseele aufgebracht ist.

[0002] Die Erfindung geht aus von einem zweistufigen Veredelungsverfahren für NE-Metalldrähte, wie es in der DE-PS 3420514 der Anmelderin beschrieben ist. Dort werden die Drähte zunächst feuerverzinnt und anschließend galvanisch (elektrolytisch) verzinnt. Dieses Verfahren hat sich sehr bewährt, die so behandelten Drähte können jedoch nicht jene Kundenwünsche erfüllen, welche eine besonders hohe Verschleißfestigkeit der Drahtoberfläche bei gleichzeitiger geringer Schichtdicke beinhalten.

[0003] Bei der Verzinnung von Drähten für elektrotechnische Zwecke sind zwei Verfahren üblich, nämlich das Feuerverzinnen oder das galvanische bzw elektrolytische Verzinnen; beide Verfahren haben spezifische Vor- und Nachteile. Vorteile des Feuerverzinnens sind die gute Lötbarkeit, die Härte und Verschleißfestigkeit der Schicht, welche auch eine bessere Lagerungsfähigkeit ergibt sowie die gute Haftung der Zinnschicht auf dem Drahtwerkstoff. Der Vorteil dieser guten Haftung wird durch einen selbsttätigen Prozeß an der Sperrschicht von Basismaterial Kupfer und Zinnschicht erzeugt, der gleichzeitig aber auch die Basis für einen wichtigen Nachteil der Feuerverzinnung darstellt. Es erfolgt eine Diffusion von Zinn in die Kupferschicht des Drahtes und eine Diffusion von Kupfer in das Zinn. Die sich bildende Diffusionsschicht wächst in etwa gleichmäßig nach innen und außen und kann im Lauf von Jahren eine Dicke von bis zu insgesamt 4 µm erreichen. Dies bedeutet, daß die Diffusionsschicht bei nicht ausreichender Dicke der Zinnschicht durch diese hindurchwachsen kann und an den betreffenden Stellen eine Lötbarkeit des Drahtes verhindert bzw. zum "Aufgehen" einer bereits vorhanden Lötstelle führt. Hinzu kommt, daß bei der Feuerverzinnung bei den bekannten Verfahren die Schichtdicke variiert, was sich prinzipbedingt durch die Verwendung von Abstreifsteinen ergibt. Aus diesem Grunde können wegen der Gefahr des Anwachsens der Diffusionsschicht und der ungleichmäßigen Beschichtung selbst beim Feuerverzinnen Schichtdicken von einigen µm nicht unterschritten werden.

[0004] Die galvanische Verzinnung hat den Vorteil, daß das Anwachsen der Zinnschicht auf dem Draht konzentrisch erfolgt, also eine sehr gleichmäßige Schichtdicke erzeugbar ist. Diese Schicht ist jedoch relativ weich und besitzt geringere Verschleißfestigkeit bei hoher Beanspruchung. Es bildet sich auch unmittelbar keine Diffusionsschicht zwischen Draht und Zinnschicht, so daß die letztere keine so gute Haftung auf dem Draht besitzt und daher leichter eine Abplatzen der Zinnschicht beim Biegen des Drahtes erfolgt.

[0005] Bei der Verwendung von reinem Zinn als galvanisch aufgebrachte Zinnschicht besteht die Gefahr der Bildung von Whiskern wenn die Zinnschicht nicht wenigstens 10 µm Dicke aufweist. Whisker sind nadelförmige Kristalle, welche aus der Schicht herauswachsen können. Durch die Hinzugabe von Blei in das Zinnbad wird in der sich bildenden Zinn-Blei-Schicht eine Whiskerbildung vermieden. Es sind drei Güteklassen genormt, nämlich Zinn-Blei-Legierungen mit 5% oder 40% oder 70% Bleianteil.

[0006] In der vorerwähnten DE-PS 3420514 ist ein Verfahren beschrieben, welches die Vorteile beider Verzinnungsverfahren verbindet. Die Erfindung schlägt ein Alternativverfahren hierzu vor. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, ein zweischichtiges Veredelungsverfahren zu schaffen, welches eine sehr harte Oberfläche bei gleichzeitig geringer Schichtdicke des aufgebrachten Materials besitzt.

[0007] Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung die in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale vor.

[0008] Die Erfindung geht von dem Gedanken aus, daß die Außenschicht des Drahtes eine Feuerverzinnung aufweisen soll wegen der geschilderten Oberflächeneigenschaften und der guten Lötbarkeit. Durch die Verwendung einer Nickelschicht als Auftrag auf dem Draht, welcher vorzugsweise ein Kupfer- oder Kupferlegierungsdraht ist, ergibt sich keine Diffusionsschicht wie im Fall der Verwendung von Zinn. Bei dem anschließenden Aufbringen einer Zinnschicht beim Feuerverzinnen tritt auch zwischen dem Nickel und dem Zinn eine Diffusionsschicht Ni3Sn4 auf. Die theoretisch mögliche Bildung dieser Diffusionsschicht erfolgt so langsam, daß sie während des üblichen Gebrauchs solcher Drähte während einiger Jahrzehnte keine Rolle spielt. Trotzdem besitzt diese Nickelschicht eine sehr gute Haftung auf dem Draht. Durch das galvanische Aufbringen kann diese Schicht dünn gehalten werden, bei sehr gleichmäßiger Dicke dieser Schicht. Es erfolgt somit kein Anwachsen einer Diffusionsschicht durch die Zinnschicht, so daß die letztere dünn aufgetragen werden kann. Die Ungleichförmigkeit der Feuerverzinnungsschicht ist zwar nach wie vor prinzipbedingt vorhanden, die minimal zulässige Schichtdicke für das Zinn beträgt jedoch 0,5 µm, vorzugsweise 1 µm. Damit kann man den Gesamtauftrag an Zinn vor allem gegenüber dem üblichen Feuerverzinnen deutlich reduzieren.

[0009] Gemäß der Erfindung erfolgt die Vernickelung des Drahtes in einem galvanischen Bad mit einer Durchlaufgeschwindigkeit von 15 - 360 m/min., vorzugsweise 17 m/min. Die Feuerverzinnung erfolgt in einer Schmelze bei Temperaturen zwischen 400°C und 260°C bei einer Verweilzeit zwischen 2 und 30 sec.

[0010] Als NE-Metall kann im Sinne der Erfindung für den Draht Aluminium oder eine Aluminiumlegierung verwendet werden.

[0011] Gemäß weiterer Ausbildung der Erfindung muß der Draht nicht aus Vollmaterial bestehen, sondern es können Kupfermanteldrähte mit einer Stahlseele verwendet werden, auf die die Schicht aus Kupfer oder Kupferlegierungen in bekannter Weise auf mechanischem oder elektrolytischem Weg aufgebracht ist. Die Art der Ausbildung dieser Kupfermanteldrähte - diese sind bekannt - sind nicht Gegenstand der Erfindung und werden hier nicht näher beschrieben.

[0012] Im Sinne der Erfindung ist es auch möglich, daß in der ersten Stufe der Veredelung anstelle einer galvanischen Vernickelung eine galvanische Versilberung erfolgt. Die Verwendung von Silber anstelle Nickel als erste Auftragsschicht bietet ähnliche Vorteile wie eine Nickelschicht, wird aus Kostengründen jedoch nur dort verwendet, wo die bessere Leitfähigkeit von Silber gegenüber Nickel eine Rolle spielt.

[0013] Für die Feuerverzinnung kann die Schmelze entweder reines Zinn oder vorzugsweise eine Zinn-Blei-Legierung mit einem Anteil von Blei von 5% oder 40% oder 70% enthalten.

[0014] Für die Durchführung der Feuerverzinnung ist gemäß Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß das überschüssige Zinn bzw. Zinn-Blei am Draht nach dessen Durchlauf durch das Feuerverzinnungsbad an einem Abstreifstein zur Erzielung der gewünschten Schichtdicke abgestreift wird. Die Erfindung ist nicht auf die Verwendung von Abstreifsteinen beschränkt. Auch andere Verfahren zur Erreichung der gewünschten Schichtdicke des Zinns beim Auslauf des Drahtes aus dem Feuerverzinnungsbad sind anwendbar.

[0015] Durch das erfindungsgemäße Verfahren können NE-Drähte für elektrotechnische Zwecke mit einem Durchmesser von 0,1 bis 2 mm veredelt werden. Anstelle von Kupferdrähten oder Kupfermanteldrähten können auch solche aus Kupferlegierungen wie z. B. Neusilber, Bronze und Messing verwendet werden.

[0016] Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels der Veredelungsanlage noch näher erläutert werden.

[0017] Es zeigen:

Figur 1

den Schichtaufbau eines Drahtes

Figur 2

die Anlage zur galvanischen Veredelung

Figur 3

die Anlage zur Feuerverzinnung

[0018] In Figur 1 ist ein Draht im Schnittbild dargestellt, dessen Kernmaterial 1 aus Kupfer oder einer Kupferlegierung besteht. Eine Zwischenschicht 2 besteht aus Nickel mit einer Schichtdicke von etwa 2 µm. Darüber befindet sich als Deckschicht eine Zinnschicht 3, welche aus Zinn-Blei mit einer Schichtdicke von minimal 1 µm befindet. Diese Zinnschicht 3 ist in der Zeichnung gleichmäßig in ihrer Schichtdicke dargestellt, aus den vorerwähnten Gründen kann diese Schicht jedoch eine ungleichmäßige Dicke aufweisen.

[0019] In Figur 2 ist die Anlage zur galvanischen Vernickelung in einer Prinzipskizze dargestellt.

[0020] Von einem Spuler 4 läuft der Blankdraht 5 durch ein Entfettungsbad 6, aus dem der Draht anschließend in eine Spüle 7 und daraufhin in eine Beize 8 gelangt. An die letztere schließt sich das galvanische Vernickelungsbad 9 an, in welchem mehrere Umlenkrollen 10 und 11 angeordnet sind. Zur Erzielung einer entsprechenden Verweilzeit des Drahtes in dem Vernickelungsbad, bei geringer räumlicher Ausdehnung des letzteren, ist der Draht in mehreren Windungen über die Umlenkrollen geführt. Zur Überwindung des sich hierdurch ergebenden mechanischen Widerstandes sind die Rollen 10 durch einen Motor 12 angetrieben. Nach dem Verlassen des Vernickelungsbades durchläuft der Draht eine Spüle 13.

[0021] Vor dem Einlauf in die Feuerverzinnungsanlage kann es notwendig sein, daß der Draht ein Aktivierungsbad 14 durchläuft, um eine eventuell bereits vorhandene Passivierung der Nickeloberfläche durch Luftsauerstoff zu beseitigen.

[0022] Nach Durchlaufen einer Spüle 15 gelangt der Draht in den Bereich der Feuerverzirtnurtgsanlage, die in Figur 3 dargestellt ist.

[0023] Über Umlenkrollen 16 und 17 durchläuft der Draht 5 ein mit Lötwasser gefülltes Flußmittelbecken 18 Aus diesem läuft der Blankdraht über eine Umlenkrolle 19 schräg in ein Zinnbad 20 ein, welches eine Temperatur von etwa 260°C bis 400°C aufweist. In dem Bad befindet sich eine weitere Umlenkrolle 21, über welche der Draht senkrecht nach oben umgelenkt wird und im Bereich eines Abstreifsteines 22 das Zinnbad verläßt. Anschließend durchläuft der Draht in senkrechter Richtung nach oben eine Kühlstrecke 23, welche eine Länge von etwa 2,5 - 3,0 m aufweist. Die Kühlstrecke wird dabei durch ein Rohr gebildet, in welchem der Draht verläuft und mit Luft im Gegenstrom angeblasen wird. An einer Umlenkrolle 24 wird der Draht 5, der nun fertig feuerverzinnt ist, nach unten umgelenkt und von einem Spuler 25 aufgewickelt.

Ansprüche

1. Verfahren zur Herstellung verzinnter Drähte aus NE-Metallen, insbesondere Kupfer oder Kupferlegierungen für elektrotechnische Zwecke durch zweistufige Veredelung, wobei die Drähte einen Durchmesser von 0,1 - 2 mm besitzen und wobei das NE-Metall zumindest als Mantel auf der Drahtseele aufgebracht ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß der in üblicher Weise vorbehandelte Draht in einer ersten Stufe galvanisch mit einer Schichtdicke von 0,5 - 5 µm vernickelt und in einer zweiten Stufe mit einer Schichtdicke von 0,5 - 10 µm, vorzugsweise 1 - 5 µm, feuerverzinnt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Vernickelung in einem galvanischen Bad mit einer Durchlaufgeschwindigkeit von 15 - 360 m/min., vorzugsweise 17 m/min., erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Feuerverzinnung in einer Schmelze mit Temperaturen zwischen 400°C und 260°C und einer Verweildauer zwischen 2 und 30 sec. erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß als NE-Metall für den Draht Aluminium oder Aluminiumlegierungen verwendet werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß als Drahtmaterial Kupfermanteldrähte mit einer Stahlseele verwendet werden, auf die die Schicht aus Kupfer oder Kupferlegierungen in bekannter Weise auf mechanischem oder elektrolytischem Weg aufgebracht ist.

6. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß in der ersten Stufe der Veredelung anstelle einer galvanischen Vernickelung eine galvanische Versilberung erfolgt.

7. Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Schmelze reines Zinn enthält.

8. Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Schmelze Zinn-Blei mit einem Anteil von 5% oder 40% oder 70% enthält.

9. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das überschüssige Zinn bzw. Zinn-Blei am Draht nach dessen Durchlauf durch das Feuerverzinnungsbad an einem Abstreifstein zur Erzielung der gewünschten Schichtdicke abgestreift wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Draht nach der Vernickelung und vor dem Feuerverzinnungsprozeß ein Aktivierungsbad für die Nickeloberfläche durchläuft.

Zeichnung