VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES WERKSTÜCKS AUS METALL

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks aus Metall mit einer darauf aufgebrachten, abschnittsweise umgeschmolzenen Zinn-haltigen Schicht.

[0002] Die EP 2 468 926 A1 offenbart ein Verfahren zum Umschmelzen mit Zinn (=Sn) beschichteter Metallbänder oder Werkstücke, bei dem abschnittsweise eine galvanische Beschichtung aus Zinn auf die Metallbänder aufgebracht wird. Die Beschichtung kann anschließend umgeschmolzen werden. Durch das Umschmelzen bilden sich intermetallische Phasen aus, deren Härte größer ist als die Härte von Zinn.

[0003] Das bekannte Verfahren wird z. B. zur Herstellung von Kontaktstiften für Flachstecker verwendet. Solche Kontaktstifte weisen ein Steckende mit einem großen Querschnitt und ein Lötende mit einem kleinen Querschnitt auf. Es wird zunächst das Steckende beschichtet und in einem Ofen umgeschmolzen. Nachfolgend wird das Lötende beschichtet. Bei gleichzeitiger Beschichtung würde bei nachfolgendem Umschmelzen zuerst die Beschichtung am dünneren Ende umschmelzen, da ein geringerer Wärmeeintrag auf Grund der Geometrie nötig ist.

[0004] Das bekannte Verfahren umfasst einen ersten Beschichtungsschritt, für den galvanische Bäder sowie Werkzeuge benötigt werden. Für den nachfolgenden Heizschritt ist ein Ofen erforderlich. Nachfolgend umfasst das Verfahren einen weiteren Beschichtungsschritt, für den weitere galvanische Bäder und Werkzeuge benötigt werden. Die galvanischen Bäder und Werkzeuge müssen im Durchlaufverfahren zumindest zweifach vorgehalten werden. Das macht das bekannte Verfahren aufwendig und teuer.

[0005] Die DE 971 981 C beschreibt ein Verfahren zum Aufschmelzen von galvanischen oder ähnlichen Metallniederschlägen auf draht- oder bandförmigen Unterlagen, wobei die Unterlage über eine Rollenführung an einer Heizung zum vollständigen Umschmelzen des Metallniederschlages vorbei geführt wird. Die DE 945 424 C beschäftigt sich gleichfalls mit einem Verfahren zum Aufschmelzen von galvanisch verzinnten Eisenbändern oder - blechen, bei welchem die kompletten Bänder bzw. Bleche zum Umschmelzen der Zinnschicht in mehreren Stufen erhitzt werden. Die EP 1 553 211 A1 beschäftigt sich mit der galvanischen Beschichtung von Komponenten mit einer Zinn-Silber-Kupfer-Plattierungsschicht.

[0006] Aus der EP 2 273 622 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Leiters mit Zinnbeschichtung bekannt, bei welchem zur Verbesserung der Gleiteigenschaften des Leiters die Zinnbeschichtung in längs des Leiters verlaufenden Streifen mittels Laserbestrahlung aufgeschmolzen wird, derart dass auf der Leiteroberfläche ein Streifenmuster bestehend aus abwechselnden Zinn-Schichten und Kupfer-Zinn-Legierungsschichten ausgebildet wird.

[0007] Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, den Nachteil des Stands der Technik zu beseitigen. Es soll insbesondere ein einfaches und kostengünstiges Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks aus Metall mit einer umgeschmolzenen und einer nichtumgeschmolzenen Zinn-haltigen Schicht bereitgestellt werden.

[0008] Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruch 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Patentansprüche 2 bis 14.

[0009] Erfindungsgemäß umfasst ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks aus Metall mit einer darauf aufgebrachten, abschnittsweise umgeschmolzenen Zinn-haltigen Schicht die folgenden Schritte:

a) Galvanisches Aufbringen der Zinn-haltigen Schicht auf vorgegebene erste Abschnitte des Werkstücks, nachfolgend

b) Aufheizen des Werkstücks auf eine erste Temperatur T1 zwischen 100°C und 230°C, derart das noch kein Umschmelzen der Schicht einsetzt, und nachfolgend

c) lokales Aufheizen eines in den ersten Abschnitten enthaltenen zweiten Abschnitts auf eine zweite Temperatur T2 zwischen 227°C und 380°C, so dass ausschließlich im zweiten Abschnitt die Zinn-haltige Schicht umgeschmolzen wird, so dass das hergestellte Werkstück eine umgeschmolzene und eine nichtumgeschmolzene Zinn-haltige Schicht umfasst, wobei die zweite Temperatur T2 größer als die erste Temperatur T1 ist.

[0010] Bei einem Werkstück im Sinne der vorliegenden Erfindung kann es sich z. B. um einen Kontaktstift eines Steckers oder Bauelements oder ein metallisches Band handeln. Ein solches metallisches Band kann eine Vielzahl zusammenhängender Kontaktstifte umfassen, die nach dem Umschmelzen vereinzelt werden. Die Zinn-haltige Schicht kann aus Zinn oder einer Zinnlegierung gebildet sein. Je nach Anwendung hat die Zinn-haltige Schicht eine Dicke von 1 bis 10 µm, vorzugsweise 2 bis 8 µm, weiter bevorzugt 2 bis 6 µm, besonders bevorzugt 2 bis 4 µm.

[0011] Unter den vorgegebenen ersten Abschnitten des Werkstücks werden alle Abschnitte verstanden, die mit einer Zinn-haltigen Schicht beschichtet werden sollen. Die Beschichtung kann in einem Verfahrensschritt oder in direkt aufeinander folgenden Verfahrensschritten erfolgen. Damit wird im Durchlaufverfahren nur noch eine Anlage zur galvanischen Beschichtung mit der Zinn-haltigen Schicht benötigt.

[0012] Die erste Temperatur T1 wird zwischen 100°C und 223°C, vorzugsweise zwischen 200°C und 230°C, gewählt. Eine Obergrenze der ersten Temperatur T1 ist so gewählt, dass noch kein Umschmelzen der Schicht einsetzt. Vorzugsweise wird das Werkstück als Ganzes auf die Temperatur T1 in einem Ofen erhitzt.

[0013] Der mindestens eine zweite Abschnitt ist in zumindest einem ersten Abschnitt enthalten. Im zweiten Abschnitt werden durch das Umschmelzen intermetallische Phasen gebildet. Es können nacheinander auch mehrere zweite Abschnitte umgeschmolzen werden. Vorzugsweise erfolgt das lokale Aufheizen des zwerten Abschnitts mittels einer Heißluftquelle.

[0014] Die zweite Temperatur T2 wird zwischen 227°C und 380°C, vorzugsweise zwischen 227°C und 260°C, so gewählt, dass der Umschmelzvorgang ausschließlich im zweiten Abschnitt einsetzt. Dabei kann die Temperatur T2 über der eigentlichen Schmelztemperatur der Zinn-haltigen Schicht liegen. Der zweite Abschnitt wird erfindungsgemäß für eine Dauer t von 1 s bis 10 s, vorzugsweise 2 s bis 5 s, auf die zweite Temperatur T2 aufgeheizt.

[0015] Die Temperatur T2 sowie die Dauer t werden so gewählt, dass sich die gewünschten intermetallischen Phasen bilden und die Schichtdicke möglichst homogen bleibt. Insbesondere soll die Bildung unerwünschter Phasen, die z. B. durch eine Verfärbung der umgeschmolzenen Schicht erkennbar ist, vermieden werden.

[0016] Wegen des relativ geringen Temperaturgradienten zwischen den Temperaturen T1 und T2 und der kurzen Dauer t kann eine vorgegebene Geometrie des zweiten Abschnitts genau eingehalten werden. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens liegt darin, dass zweite Abschnitte in Bereichen mit unterschiedlichen Querschnitt bereichsweise mit verschiedenen zweiten Temperaturen T2 und verschiedenen Dauern t beaufschlagt werden können.

[0017] Beim Metall handelt es sich vorzugsweise um Kupfer oder eine Kupferlegierung, Als Kupferlegierung wird vorzugsweise eine der folgenden Legierungen verwendet: CuFe, CuFe₂P, CuNiSn, Cu-NiSi, Messing (CuZn), CuBe, CuSnZn, CuSn₄, CuSn₆ oder CuSn₃.

[0018] Auf das Werkstück kann vor dem Aufbringen der Zinn-haltigen Schicht zumindest eine Zwischenschicht, vorzugsweise galvanisch, aufgebracht werden Vorzugsweise ist die Zwischenschicht aus Nickel und/oder Kupfer gebildet. Die Dicke der Zwischenschicht liegt vorzugsweise im Bereich von 0,1 µm bis 4 µm. Die Zwischenschicht kann auf dem Werkstück vollflächig oder abschnittsweise aufgebracht sein. Verschiedene erste Abschnitte können unterschiedliche Zwischenschichten aufweisen.

[0019] Eine bevorzugte Anwendung des Verfahrens ist die Beschichtung eines Kontaktstifts eines Flachsteckers, wobei ein erster Endabschnitt des Kontaktstiftes als Lötende und ein zweiter Endabschnitt des Kontaktstiftes als Steckende dient. Auf den ersten Endabschnitt und den zweiten Endabschnitt wird galvanisch eine Zinn-haltige Schicht aufgebracht. Nachfolgend wird ausschließlich die auf den zweiten Endabschnitt aufgebrachte Zinn-haltige Schicht umgeschmolzen. Insbesondere eignet sich das Verfahren, wenn der Querschnitt des Steckendes mindestens die Dicke des Querschnitts des Lotendes aufweist.

[0020] Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1

eine Schnittansicht eines Kontaktstifts eines Flachsteckers und

Fig. 2

ein Band aus Kontaktstiften.

[0021] Das Werkstück 1 in Fig. 1 ist ein Kontaktstift-Rohling, welcher vorzugsweise aus Kupfer hergestellt ist. Dieser weist einen ersten Endabschnitt 1 a, welcher das Lötende bildet, einen Verbindungsabschnitt 1b und einen zweiten Endabschnitt 1c, welcher das Steckende bildet, auf. Der erste Endabschnitt 1a weist einen geringeren Querschnitt als der zweite Endabschnitt 1c auf.

[0022] Im ersten Endabschnitt 1a und im zweiten Endabschnitt 1 c befinden sich jeweils zu beschichtende erste Abschnitte 2. Der erste Endabschnitt 1a wird galvanisch mit einer Zwischenschicht 3 aus Nickel beschichtet, die eine Dicke von vorzugsweise 0,1 µm bis 4 µm aufweist. Darauffolgend wird der im ersten Endabschnitt 1a enthaltende erste Abschnitt 2 galvanisch mit einer Zinnschicht 4 beschichtet, die eine Dicke zwischen 1 µm und 10 µm, vorzugsweise 5 µm bis 8 µm, aufweist. Nachfolgend wird der im zweiten Endabschnitt 1c enthaltene erste Abschnitt 2 galvanisch mit einer Zinnschicht 4 beschichtet, die eine Dicke von 1 µm bis 10 µm, vorzugsweise 2 µm bis 4 µm aufweist. Alle ersten Abschnitte 2 sind damit mit einer Zinn-haltigen Schicht 4 beschichtet.

[0023] Das Werkstück 1 wird dann in einem Ofen auf eine Temperatur T1 zwischen 100°C und 230°C, vorzugsweise zwischen 200°C und 230°C, erhitzt. Anschließend wird ein zweiter Abschnitt 5 lokal z. B. mittels Heißluft auf eine höhere Temperatur T2 zwischen 227°C und 380°C, vorzugsweise zwischen 220°C und 260°C für eine Dauer t von 1 bis 10 s, vorzugsweise 2 bis 5 s erhitzt, so dass im zweiten Abschnitt 5 die Zinnschicht umschmilzt und die umgeschmolzene Zinnschicht 6 entsteht. Die Wärmeübertragung reicht bei der lokalen Erhitzung im zweiten Abschnitt 5 auf die Temperatur T2 nicht aus, um ein Umschmelzen des ersten Abschnitts 2 im ersten Endabschnitt 1a zu bewirken.

[0024] Das Werkstück 1 in Fig. 2 ist ein Band mit einer Vielzahl von Kontaktstiften, die erste und zweite Endabschnitte 1a, 1c aufweisen, welche - wie beim ersten Ausführungsbeispiel - mittels der Verbindungsabschnitte 1 b miteinander verbunden sind. Die zu beschichtenden ersten Abschnitte 2, im Bereich der ersten und zweiten Endabschnitte 1a, 1c, werden galvanisch mit einer Zinn-haltigen Schicht beschichtet. Darauffolgend wird das Werkstück 1 in einem Ofen auf die Temperatur T1 erhitzt. Anschließend werden ausschließlich die zweiten Abschnitte 5 im Bereich der zweiten Endabschnitte 1c auf die höhere Temperatur T2 erhitzt, so dass dort die umgeschmolzene Zinn-haltige Schicht 6 entsteht. Die Kontaktstifte werden nachfolgend im Bereich der Trennfläche 7 getrennt.

BEZUGSZEICHENLISTE

[0025] 

1

Werkstück

1a

erster Endabschnitt

1b

Verbindungsabschnitt

1c

zweiter Endabschnitt

2

erster Abschnitt

3

Zwischenschicht

4

Zinn-haltige Schicht

5

zweiter Abschnitt

6

umgeschmolzene Zinn-haltige Schicht

7

Trennfläche

Ansprüche

1. Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks (1) aus Metall mit einer darauf aufgebrachten, abschnittsweise umgeschmolzenen Zinn-haltigen Schicht (6) mit folgenden Schritten:

a) galvanisches Aufbringen der Zinn-haltigen Schicht (4) auf vorgegebene erste Abschnitte (2) des Werkstücks, nachfolgend

b) Aufheizen des Werkstücks (1) auf eine erste Temperatur T1 zwischen 100°C und 230°C, derart dass noch kein Umschmelzen der Schicht einsetzt, und nachfolgend

c) lokales Aufheizen eines in den ersten Abschnitten (2) enthaltenen zweiten Abschnitts (5) auf eine zweite Temperatur T2 zwischen 227°C und 380°C, so dass ausschließlich im zweiten Abschnitt (5) die Zinn-haltige Schicht (4) umgeschmolzen wird, so dass das hergestellte Werkstück (1) eine umgeschmolzene und eine nichtumgeschmolzene Zinn-haltige Schicht umfasst, wobei die zweite Temperatur T2 größer als die erste Temperatur T1 ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Zinn-haltige Schicht (4) mit einer Dicke von 1 bis 10 µm, vorzugsweise 2 bis 8 µm, vorzugsweise 2 bis 6 µm, vorzugsweise 2 bis 4 µm aufgebracht wird.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Temperatur T1 zwischen 200°C und 230°C gewählt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mehrere zweite Abschnitte (5) nacheinander umgeschmolzen werden.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das lokale Aufheizen mittels einer Heißluftquelle erfolgt.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Temperatur T2 zwischen 227°C und 260°C gewählt wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Abschnitt (5) für eine Dauer t von 1s bis 10s, vorzugsweise 2s bis 5s, auf die zweite Temperatur T2 aufgeheizt wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es sich bei dem Metall des Werkstücks (1) um Kupfer oder eine Kupferlegierung handelt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei als Kupferlegierung eine der folgenden Legierungen verwendet wird: CuFe, CuFe₂P, CuNiSn, Cu-NiSi, Messing (CuZn), CuBe, CuSnZn, CuSn₄, CuSn₆ oder CuSn₈.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei vor dem Aufbringen der Zinn-haltigen Schicht (4) zumindest eine Zwischenschicht (3) auf das Werkstück (1) aufgebracht wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Zwischenschicht (3) aus Nickel und/oder Kupfer gebildet ist.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei die Zwischenschicht (3) mit einer Dicke von 0,1 µm bis 4 µm aufgebracht wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 3 oder einem der Ansprüche 5 - 12, wobei das Werkstück (1) als Kontaktstift eines Flachsteckers ausgebildet ist, wobei ein erster Endabschnitt (1a) des Kontaktstiftes als Lötende und ein zweiter Endabschnitt (1c) des Kontaktstiftes als Steckende dient, wobei der erste und zweite Endabschnitt (1a, 1c) die vorgegebenen ersten Abschnitte (2) bilden, und wobei der zweite Endabschnitt (1c) den zweiten Abschnitt (5) bildet.

14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Querschnitt des als Steckende dienenden Endabschnitts (1c), auf den galvanisch die Zinn-haltige Schicht aufzubringen ist, mindestens die Dicke des Querschnitts des als Lötende dienenden Endabschnitts (1a), auf den galvanisch die Zinn-haltige Schicht aufzubringen ist, aufweist.

Claims

1. Method for producing a workpiece (1) from metal with a tin-containing layer (6) which is applied thereto and is remelted in sections, with the following steps:

a) electroplating the tin-containing layer (4) onto predetermined first portions (2) of the workpiece, then

b) heating the workpiece (1) to a first temperature T1 of between 100°C and 230°C in such a manner that remelting of the layer still does not arise, and then

c) locally heating a second portion (5) contained in the first portions (2) to a second temperature T2 of between 227°C and 380°C such that the tin-containing layer (4) is remelted exclusively in the second portion (5), and therefore the workpiece (1) which is produced comprises a remelted and a non-remelted tin-containing layer, wherein the second temperature T2 is greater than the first temperature T1.

2. Method according to Claim 1, wherein the tin-containing layer (4) is applied with a thickness of 1 to 10 µm, preferably 2 to 8 µm, preferably 2 to 6 µm, preferably 2 to 4 µm.

3. Method according to either of the preceding claims, wherein the first temperature T1 is selected between 200°C and 230°C.

4. Method according to one of the preceding claims, wherein a plurality of second portions (5) are remelted successively.

5. Method according to one of the preceding claims, wherein the local heating takes place by means of a hot air source.

6. Method according to one of the preceding claims, wherein the second temperature T2 is selected between 227°C and 260°C.

7. Method according to one of the preceding claims, wherein the second portion (5) is heated to the second temperature T2 for a duration t of 1s to 10s, preferably 2s to 5s.

8. Method according to one of the preceding claims, wherein the metal of the workpiece (1) is copper or a copper alloy.

9. Method according to Claim 8, wherein the copper alloy used is one of the following alloys: CuFe, CuFe₂P, CuNiSn, Cu-NiSi, brass (CuZn), CuBe, CuSnZn, CuSn₄, CuSn₆ or CuSn₈.

10. Method according to one of the preceding claims, wherein at least one intermediate layer (3) is applied to the workpiece (1) before the application of the tin-containing layer (4).

11. Method according to Claim 10, wherein the intermediate layer (3) is formed from nickel and/or copper.

12. Method according to Claim 10 or 11, wherein the intermediate layer (3) is applied with a thickness of 0.1 µm to 4 µm.

13. Method according to one of Claims 1-3 or one of Claims 5-12, wherein the workpiece (1) is configured as a contact pin of a flat plug, wherein a first end portion (1a) of the contact pin serves as a soldering end and a second end portion (1c) of the contact pin serves as a plug-in end, wherein the first and second end portions (1a, 1c) form the predetermined first portions (2), and wherein the second end portion (1c) forms the second portion (5) .

14. Method according to Claim 13, wherein the cross section of the end portion (1c) which serves as the plug-in end and onto which the tin-containing layer is to be electroplated has at least the thickness of the cross section of the end portion (1a) which serves as a soldering end and onto which the tin-containing layer is to be electroplated.

Revendications

1. Procédé de fabrication d'une pièce (1) en métal sur laquelle est appliquée une couche contenant de l'étain (6), refondue dans certaines portions, comprenant les étapes suivantes :

a) application galvanique de la couche contenant de l'étain (4) sur des premières portions (2) prédéfinies de la pièce, ensuite

b) chauffage de la pièce (1) à une première température T1 entre 100 °C et 230 °C de telle sorte qu'il ne se produit pas encore de refonte de la couche, ensuite

c) chauffage local d'une deuxième portion (5), contenue dans les premières portions (2), à une deuxième température T2 entre 227 °C et 380 °C de telle sorte que la couche contenant de l'étain (4) soit exclusivement refondue dans la deuxième portion (5), de sorte que la pièce (1) fabriquée comporte une couche contenant de l'étain refondue et non refondue, la deuxième température T2 étant supérieure à la première température T1.

2. Procédé selon la revendication 1, la couche contenant de l'étain (4) étant appliquée avec une épaisseur de 1 à 10 µm, de préférence de 2 à 8 µm, de préférence de 2 à 6 µm, de préférence de 2 à 4 µm.

3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, la première température T1 étant choisie entre 200 °C et 230 °C.

4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, plusieurs deuxièmes portions (5) étant refondues successivement.

5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, le chauffage local étant effectué à l'aide d'une source d'air chaud.

6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, la deuxième température T2 étant choisie entre 227 °C et 260 °C.

7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, la deuxième portion (5) étant chauffée à la deuxième température T2 pendant une durée t de 1 s à 10 s, de préférence de 2 s à 5 s.

8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, le métal de la pièce (1) étant du cuivre ou un alliage de cuivre.

9. Procédé selon la revendication 8, l'alliage de cuivre utilisé étant l'un des alliages suivants : CuFe, CuFe₂P, CuNiSn, Cu-NiSi, laiton (CuZn), CuBe, CuSnZn, CuSn₄, CuSn₆ ou CuSn₈.

10. Procédé selon l'une des revendications précédentes, au moins une couche intermédiaire (3) étant appliquée sur la pièce (1) avant l'application de la couche contenant de l'étain (4).

11. Procédé selon la revendication 10, la couche intermédiaire (3) étant constituée de nickel et/ou de cuivre.

12. Procédé selon la revendication 10 ou 11, la couche intermédiaire (3) étant appliquée avec une épaisseur de 0,1 µm à 4 µm.

13. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3 ou selon l'une des revendications 5 à 12, la pièce (1) étant réalisée sous la forme d'une broche de contact d'un connecteur plat, une première portion d'extrémité (1a) de la broche de contact servant d'extrémité de brasage et une deuxième portion d'extrémité (1c) de la broche de contact d'extrémité d'enfichage, les première et deuxième portion d'extrémité (1a, 1c) formant les premières portions (2) prédéfinies et la deuxième portion d'extrémité (1c) formant la deuxième portion (5) .

14. Procédé selon la revendication 13, la section transversale de la portion d'extrémité (1c) servant d'extrémité d'enfichage, sur laquelle doit être appliquée la couche contenant de l'étain, possédant au moins l'épaisseur de la section transversale de la portion d'extrémité (1a) servant d'extrémité de brasage, sur laquelle doit être appliquée la couche contenant de l'étain.

Zeichnung