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Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung stark verzinnter
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Kupferdrähte, insbesondere Schaltdrähte Die Erfindung bezieht sich
auf ein Verfahren zur Herstellung stark verzinnter Kupferdrähte, insbesondere Schaltdrähte,
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Sie findet besonders Anwendung für die rationelle Herstellung von
stark verzinnten Schaltdrähten, die die Anforderungen nach DIN 40500, Teil 5, V
5 erfüllen, wobei eine besonders starke und diffusionsfreie Zinnschicht erwünscht
ist, deren Dicke an keiner Stelle des verzinnten Kupferdrahtes weniger als 4 pm
beträgt. Dies gewährleistet in besonders hohem Maße eine gute und dauerhafte Lötfähigkeit
der so hergestellten Schaltdrähte.
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Aus DE-AS 27 30 625 ist ein Verfahren zur Herstellung von stark verzinnten
Kupferdrähten bekannt, bei dem ein gezogener Kupferdraht galvanisch verzinnt und
anschließend weich geglüht bzw. ein Kupferdraht zunächst galvanisch verzinnt, darauf
in seinem Querschnitt durch Ziehen reduziert und anschließend weich geglüht wird,
wobei ein Kupferdraht mit einer niedrigen, unterhalb des Schmelzpunktes von Zinn
liegenden Erwichungstemperatur verwendet wird, und der auf Fertigmaß gezogene verzinnte
Kupferdraht zwei bis acht Stunden bei einer Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur
des
Zinns weich geglüht wird. Dieses bekannte Verfahren ist wegen der Notwendigkeit
der Verwendung besonders reinen Kupfers mit niedriger Erwichungstemperatur sowie
der vorgesehenen, ungewöhnlich langen Weichglühzeit sehr kostenaufwendig und birgt
wegen der langen Glühzeiten die Gefahr der Diffusion sowie der Whiskerbildung, so
daß - um dentvorzubeugen - nach diesem bekannten Verfahren ferner vorgesehen ist,
vor dem galvanischen Verzinnen eine Nickelschicht von weniger als 2 P auf den Kupferdraht
galvanisch aufzubringen. Dieser zur Erzielung eines Produktes der notwendigen hochwertigen
Qualität notwendige zusätzliche Verfahrensschritt verteuert die so hergestellten
Wickeldrähte in erheblichem Maße.
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Die gleiche Schrift beschreibt auch ein Verfahren zur Herstellung
von verzinnten Kupferdrähten, welches vorsieht, den Draht galvanisch zu verzinnen,
anschließend auf die gewünschte Endabmessung zu ziehen und im gleichen Arbeitsgang
in einer nachgeschlateten Durchlaufgluhe zu glühen. Einschränkend ist hierzu jedoch
angegeben, daß dieses bekannte Verfahren zwar bei der Fertigung von Drähten mit
dünnen Zinnauflagen angewendet wird, daß jedoch infolge der hierbei notwendigen
hohen Durchlaufgeschwindigkeiten Temperaturen oberhalb der Schmelztemperatur des
Zinns erforderlich sind. Dadurch bedingt könnten aber - vermeintlich - Schichtdicken
in einer Größenordnung von mehr als 3 zum nicht überschritten werden, ohne daß es
zu einer exentrischen Zinnauflage kommt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein rationelles Herstellungsverfahren
für stark verzinnte KupSerdrähte s mit einer Verzinnungstärke von im Endmaß mehr
als 4juni und eine hierzu geeignete Vorrichtung anzugeben, um stark verzinnte Kupferdrähte,
insbesondere Schaltdrähte hoher Qualität der Verzinnung mit großer Geschwindigkeit
und dementsprechend erhöhter Wirtschaftlichkeit herzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.
Mit dieser Lösung sieht die Erfindung eine wesentliche Verbesserung des vorausgehend
beschriebenen bekannten Verfahrens vor, welche es ermöglicht, stark verzinnte Kupferdrähte
mit einer umfänglich gleichmäßigen Verzinnungsdicke von im Endmaß wesentlich mehr
als 4 Am, üblicherweise etwa 7 jun und darüber, herzustellen, welche qualitätsmäßig
den betreffenden DIN-Normen entsprechen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens
sind mit den Ansprüchen 2 bis 4 angegeben, wovon der Anspruch 2 die Vorbereitung
und der Anspruch 4 die Abmessungen so zu verzinnender Kupferdrähte, und der Anspruch
3 im Verlaufe der starken Verzinnung durchzuführende Maßnahmen betreffen, welche
nachstehend näher erläutert sind.
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Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Vorrichtung zur Herstellung
stark verzinnter Kupferdrähte, bei welcher auf einer gemeinsamen Grundplatte eine
Ziehvorrichtung und eine Widerstandsdurchlaufglühe mit Kontakt- und Umlenkrollen
sowie eine Abzugs- und Spuleinrichtung angeordnet sind, wobei in der Bewegungsrichtung
des Drahtes vor dieser kombinierten Zieh- und Durchlauf-Glühvorrichtung wenigstens
eine weitere Ziehvorrichtung sowie zwei Galvanisier- und Spülbecken angeordnet sind.
Der Gegenstand dieser Erfindung ergibt sich aus den kennzeichnenden Merkmalen des
Anspruchs 5.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind
mit den Ansprüchen 6 und 7 angegeben, von welchen sich der Anspruch 6 auf die Anordnung
der unteren Kontaktrolle und die Ausbildung der Kühleinrichtung bezieht, wogegen
der Anspruch 7 den vertikalen Abstand zwischen der oberen und der unteren Kontaktrolle,
die konstruktive Ausbildung derselben sowie auch der angebauten Umlenkrollen angibt.
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Der wesentliche Vorteil des neuen Verfahrens liegt in der erhöhten
Qualität der so hergestellten stark verzinnten Drähte und der wesentlich erhöhten
Wirtschaftlichkeit der Fertigung derselben. Diese ergibt sich einmal aus der Möglichkeit
Kupferdrähte üblicher Güte zu verwenden, die bei relativ hohen Temperaturen ausgeglüht
werden müssen, welche die Schmelztemperatur des Zinns überschreiten. Dies ist durch
die vertikale Drahtführung sowie die große Geschwindigkeit ermöglicht, mit welcher
der Draht durch die Durchlaufglühe hindurchgeführt wird, wobei zumindest teilweise
ein Aufschmelzen des zuvor aufgebrachten Zinnbelages bewußt in Kauf genommen wird.
Dieses wird jedoch einerseits durch die vertikale Drahtführung und andererseits
durch die besondere Anordnung der Kühlstrecke, nämlich z.T. noch vor der unteren
Kontaktglühe, in ausreichendem Maße beherrscht, um die Konzentrizität der starken
Verzinnung innerhalb der vorgegebenen Toleranzwerte zu erhalten.
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Die erfindungsgemäße Verzinnung weist ein Endmaß von wesentlich mehr
als 3 pun, vorzugsweise etwa 7 um, Schichtdicke auf. Dadurch, daß das Zinn mit einer
Auftragsdicke von jeweils wenigstens 7 tun in zwei getrennten Stufen galvanisch
auf den Kupferdraht aufgebracht und dieser dazwischen auf ein entsprechendes Kalibriermaß
gezogen, wobei die Schicht des ersten Zinnauftrages verdichtet wird, ergibt sich
eine an der Drahtoberfläche fest anhaftende und über die ganze Schichtstärke dichte
Verzinnung. Diese verändert ihre umfänglich im wesentlichen gleichmäßige Konsistenz
und Dicke auch bei dem nachfolgenden Glühvorgang kaum, obgleich dieser kurzzeitig
Temperaturen erreicht, welche über der Schmelztemperatur des Zinns liegen.
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Um dies zu gewährleisten, wird der verzinnte Kupferdraht nach dem
zweiten Zinnauftrag auf die gewünschte Endabmessung gezogen, danach auf einem einheitlichen
Glüh- und Kühlabschnitt seiner Länge vertikal geführt, wobei er in einem
Durchgang
kurzzeitig auf mehr als 400 °C erhitzt und in ummittelbarer Folge abrupt auf Raumtemperatur
gekühlt wird.
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Vor der ersten Verzinnung wird der Kupferdraht auf ein Sollmaß gezogen
und weich geglüht, so daß er ohne Schwierigkeiten zwischen den beiden Galvanisierverzinnungen
auf das Kalibriermaß gezogen werden kann, unabhängig von der Qualität des gewählten
Kupfers.
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Nach der zweiten Verzinnung wird der Kupferdraht mit einer Abzugsgeschwindigkeit
zwischen 12 und 24 m/s, vorzugsweise zwischen 15 und 20 m/s auf das Endmaß gezogen
und ausgeglüht, wobei die Temperatur mehr als 500 oC beträgt, in unmittelbarer Folge
abrupt gekühlt, abgezogen und schließlich aufgespult. Die Abzugsgeschwindigkeiten
sind so hoch gewählt, daß das bei der hohen Glühtemperatur aufschmelzende Zinn kaum
in Bewegung gerät, sondern zufolge der vertikalen Draht führung der Drahtoberfläche
umfänglich im wesentlichen konzentrisch anhaftet, bis es in Bruchteilen von Sekunden
- noch vor der stromabführenden unteren Kontaktrolle - in die Kühlflüssigkeit eintaucht
und dadurch sogleich wieder ausreichend verfestigt wird. Hierzu beträgt die mechanisch
gespannte Glühlänge des verzinnt gezogenen Drahtes wenigstens 100 cm, vorzugsweise
mehr als 150 cm, einschließlich der vor der unteren Kontaktrolle vorgesehenen ersten
Kühlstrecke, in welcher unmittelbar nach bzw. noch während des Ausglühens eine intensive
Kühlung des geglühten Drahtes bei etwa 30 OC erfolgt. Dabei wird die konzentrisch
aufgeschmolzene Verzinnung desselben innerhalb eines Bruchteils der Glühlänge so
verfestigt, daß die Umlenkung des Drahtes über die untere Kontaktrolle innerhalb
der Kühlflüssigkeit ohne Veränderung des Verzinnungsbelages möglich ist.
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Schließlich wird der Draht nach dessen Umlenkung in der hinter dieser
Kontakrolle angeordneten Nachkühistrecke auf Raumtemperatur nachgbkdhlt.
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Die Glühtemperatur und die zu deren Erreichen aufzuwendende Stromstärke
richten sich bei vorgegebener Spannung üblicherweise nach dem Drahtdurchmesser,
der Qualität des verwendeten Kupferdrahtes und der Abzugsgeschwindigkeit.
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Das Verfahren ist zum starken Verzinnen von Drähten mit einem Durchmesser
zwischen 0,2 und 1,2 mm gut geeignet, wobei in der Regel eine Verzinnungsdicke von
etwa 7,nn erreicht wird. Zur Erzielung der hohen Glühtemperatur von etwa 500 OC
oder mehr kann bei einer konstant eingestellten Spannung zwischen den beiden Kontaktrollen,
z.B. 38 y,auf den verzinnten, auf Maß gezogenen Kupferdraht ein Strom entsprechender
Stärke gelegt werden. Der geglühte Draht wird dann unter dieser Spannung plötzlich
in eine Kühlflüssigkeit getaucht und dabei zumindest im Oberflächenbereich bis unter
die Schmelztemperatur des Zinnes abgekühlt.
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Da bei diesem Verfahren die Schmelztemperatur des Zinns weit überschritten
wird, und die Glühzeiten im Millisekundenbereich liegen, ist die Gefahr der Whiskerbildung
vermieden, und aufgrund der kurzen Glühzeiten auch die Gefahr der Bildung ausgeprägter
Diffusionsschichten zwischen dem Kupfer und dem Zinn unterdrückt. Dies bringt aber
den weiteren großen Vorteil, daß sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zusätzliche
Maßnahmen zur Verhinderung der Diffusionsbildung, wie etwa die bekannte Vorbeschichtung
der Oberfläche eines stark zu verzinnenden Drahtes mit einem dünnen Nickelbelag
oder andere bekannte Maßnahmen dieser Art erübrigen.
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Nachstehend ist die Erfindung unter Angabe weiterer Einzelheiten und
Vorteile desselben anhand eines in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiels
näher erläutert.
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In der Zeichnung zeigen: Fig. 1 in schematischer Darstellung eine
kombinierte Galvanisier-Zinnauftrag-, Zieh- und Widerstands-Durchlauf-Glühvorrichtung
und
Fig. 2 ebenfalls schematisch in vergrößerter Darstellung die
Durchlaufglühe und den unmittelbar anschließenden Teil der Ziehvorrichtung.
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Die in Fig. 1 dargestellte Fertigungsanordnung für stark verzinnte
Kupferdrähte umfaßt einen Ablauf 23, zwei kombinierte Vorbehandlungs-Galvanisier-
und Spülbecken 24, mit dazwischen angeordneter Kalibrier-Ziehvorrichtung 5, eine
Endmaß-Z i ehvorri ohtung 2 und eine Widerstands-Durchlaufgliihe 3 sowie Zwischenabzugseinrichtungen
25, Umlenkrollen 26 und eine innerhalb des Gehäuses 7 der Ziehvorrichtung 2 angeordnete
Spuleinrichtung 10 zur Aufnahme eines so gefertigten, stark verzinnten Kupferdrahtes
30. Diese Einrichtungen können, wie gezeigt, auf einer gemeinsamen Grundplatte 1
mit einem aufrechten Traggestell 6 in entsprechender Reihenfolge hintereinander
angeordnet, oder auch - raumbedingt - zu getrennten Einheiten zusammengefaßt sein,
wie etwa je eine der kombinierten Vorbehandlungs-Galvanisier- und Spülbecken 24
mit zugehörigem Ablauf 23, der Kalibrier-Ziehvorrichtung 5 und einer der Zwischen9Sugeinrichtungen
25. In jedem Fall ist die Endmaß-Ziehvorrichtung 2 mit der Widerstands-Durchlaufglühe
3 zu einer mechanisch fest verbundenen und funktionell zusammenwirkenden Einheit
zusammengefaßt.
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Auch können die kombinierten Vorbehandlungs-Galvanisier-und Spülbecken
24 in entsprechend eingerichtete Abschnitte hintereinander unterteilt oder diese
auf verschiedenen Ebenen übereinander angeordnet sein, was jedoch bekannt und nicht
Gegenstand der Erfindung ist.
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Die Kalibrier-Ziehvorrichtung 5 ist mit aufeinander abgestimmten Ziehsteinen
14 und einer nachgereihten Abzugseinrichtung 25 ausgestattet, und bei Bedarf kann
eine solche auch noch hinter dem zweiten Galvanisierbecken 24, gegebenenfalls unter
Zwischenschaltung von Umlenkrollen 26, angeordnet sein.
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Die Endmaß-Ziehvorrichtung 2 ist mit einer Mehrzahl von hinsichtlich
ihrer sich verjüngenden Durchlaßöffnung aufeinander abgestimmten Ziehsteinen 14
mit Zwischenrollen 15 und einem Doppelabzug 4 ausgestattet, welcher als Isolierkörper,
vorzugsweise mit einer entsprechend profilierten Keramik oder Kunststoffhülle ausgebildet
ist. Der Doppelabzug hierzu einem seiner Profilabschnitte zum Herausziehen des Drahtes
30 aus der Ziehvorrichtung 2 und zu dessen Zuführung an die Durchlaufglühe 3 und
mit seinem zweiten Profilabschnitt zum Herausziehen des Drahtes 30 aus der letzteren.
Zugleich erfolgt auch die Zuführung des Drahtes 30 über eine Tänzerrolle 27 und
eine Verlegeeinrichtung 11 zu der am Boden des Gehäuses 7 angeordneten Spuleinrichtung
10.
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Alle diese Einrichtungen sind ebenso wie die der Durchlaufglühe 3
vor- bzw. nachgelagerten Umlenkrollen 12, 13 als Isolierkörper, z.B. aus Kunststoff,
ausgebildet oder auf isolierenden Achsen bzw. Pinolen 28 gelagert. Ebenso ist auch
der Arm 29 der Verlegeeinrichtung 11 aus einem Isolierstoff ausreichender Festigkeit
und Formbeständigkeit erstellt. Diese Maßnahmen gewährleisten den vorgegebenen Stromfluß,
über den in der Kontakt-Durchlaufglühe 3 zwischen deren oberen Kontaktrolle 8 und
der unteren Kontaktrolle 9 gespannt geführten Glühabschnitt des Drahtes 30 mit ausreichender
Stromstärke bei entsprechend eingestellter Spannung des Glühstromes.
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Die Durchlaufglühe 3 ist über der Grundplatte an dem aufrechten Rahmengestell
6 angeordnet und umfaßt im wesentlichen die zwei Kontaktrollen 8, 9 sowie die hiervon
im Abstand angebauten, elektrisch isolierenden oder isolierend gelagerten Umlenkrollen
12, 13. Die untere Kontaktrolle 9 ist ortsfest in einer Kühlflüssigkeit 16 drehbar
gelagert und die obere Kontaktrolle 8 im vertikalen Abstand über
der
in die Kühlflüssigkeit 16 eingetauchten unteren Kontaktrolle 9 drehbar und vertikal
verstellbar angeordnet.
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Die obere Kontaktrolle 8 ist an eine stromzuführende Leitung angeschlossen,
während die untere Kontaktrolle 9 über eine stromabfuhrende Leitung mit dem Nulleiter
eines Drehstromsystems verbunden ist. Hingegen sind - wie bereits erwahnt - die
Spuleinrichtung 10 und die zugehörige Verlegeeinrichtung 11 nebst den übrigen drahtführenden
Einrichtungen gegen Erde isoliert angeordnet.
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In der aus Fig. 2 ersichtlichen Ausführungsform dieser Vorrichtung
ist die untere Kontaktrolle 9 in einem Kühlsten 17 angeordnet, dessen Begrenzungswände
mit einer größeren Höhe als Breite bemessen sind, und an dem ein Umlaufrohrsystem
20 für die Kühlflüssigkeit 16 mit einer Pumpe 21 und einerRückkühleinrichtung 22
angeschlossen ist. Diese kann als getrennter Rückkühler oder - wie gezeigt - in
Form einer im Kuhlkasten 17 verlegten Kuhlschlange ausgebildet sein. Wesentlich
ist, daß der Kühlkasten 17 und das Umlaufrohrsystem 20 mit einer Kühlflüssigkeit
16, vorzugaweise Wasser, gefüllt sind, deren Spiegel - entsprechend dem jeweiligen
Drahtdurchmesser - im wesentlichen konstant gehalten ist. Dies kann durch entsprechende
Einregelung des tbnlaufsystems, z.B durch genaue Einstellung der jeweils von der
Pumpe 21 abgegebenen Fördermenge bzw. des Druckes des flüssigen Kühlmittels 16 erfolgen.
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Vorzugsweise ist der Draht 30 auf seiner vertikalen Glühstrecke in
Führungs- und Kühlrohren 18, 19 geführt, deren jede in dessen Bewegungsrichtung
vor und hinter der unteren Umlenkrolle 9 so angeordnet ist, daß sie mit ihrem unteren
offenen Ende so weit wie möglich in die Kühiflüssigkeit 16 eintaucht. Wenn nun das
Umlaufrohrsystem 20 für die Kühlflüssigkeit 16 in die der unteren Kontaktrolle 9
nachgereihte Kühlröhre 19 einmündet, läßt sich die Förderleistung der Pumpe 21 so
einstellen, daß in dieser
für den stark verzinnten und ausgeglühten
Draht 30 eine Nachkühlstrecke bildenden Röhre 19 eine der gewünschten Kühlung entsprechende
Wassersäule entsteht, die in den Kühlkasten 17 abrinnt und dort die gewünschte Spiegelhöhe
der Kühlflüssigkeit 16 hält, die gleichzeitig von dem unteren Bereich des Kühlkastens
17 abgepumpt wird. Der somit nur ein kurzes Stück eingetauchte Endabschnitt der
vor der unteren Kontaktrolle 9 angeordneten Röhre 18 bildet somit eine im Vergleich
zur gespannten Glühlänge des Drahtes sehr kurze Vorkühlstrecke, deren Länge sich
auf die vorausgehend beschriebene Weise sehr genau bestimmen läßt. Das Verhältnis
Glühstrecke zu Vorkühlstrecke ist von wesentlicher Bedeutung für die Qualität der
Verzinnung des so hergestellten stark verzinnten Drahtes und die Gleichmäßigkeit
der Zinnschichtdicke.
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In bevorzugter Ausführung ist die obere Kontakt rolle 8 in einem Abstand
von mehr als 150 cm über der unteren Kontaktrolle 9 vertikal verstellbar angeordnet.
Dies ermöglicht eine genaue Abstimmung des vorausgehend geschilderten Verhältnisses
von Glühlänge zu Vorkühlstrecke des verzinnten Drahtes 30, einerseits durch Einstellung
der Höhe des Kühlflüssigkeitsspiegels und andererseits durch Bestimmung der Länge
der Glühstrecke durch vertikales Verschieben der oberen Kontaktrolle 8 zu einem
weiteren oder geringeren Abstand von der unteren Kontaktrolle 9.
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Die beiden Kontaktrollen 8, 9 sind umfänglich profiliert und mit einem
Nickelband eingefaßt. Die seitlich hiervon angeordneten Umlenkrollen 12, 13 sind
als Keramik- oder Kunststoff- od.dgl. Scheiben ausgebildet oder in Kunststoffbuchsen
bzw. auf Kunststoffachsenträgern isolierend gelagert.
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Bei seinem Durchlauf durch die vorausgehend beschriebene Fertigungsanordnung
wird der Kupferdraht vom Ablauf 23 abgezogen,
entfettet, gespült,
dekapiert, galvanisch verzinnt und schließlich nachgespült, welcher Vorgang nach
einem die so aufgebrachte Verzinnung verdichtenden Kalibrierzug wiederholt wird.
Der auf diese Weise im zweifachen Auftrag mit einer 10 bis 14 jun dicken Zinnschicht
versehene Kupferdraht 30 wird danach der Zieheinrichtung 2 gegebenenfalls über eine
Zwischenabzugeinrichtung 25 direkt oder auch mit Zwischen-Umspulung zugeführt. In
der Zieheinrichtung 2 wir der so verzinnte Draht bis auf das gewünschte Sollmaß
gezogen, sodann in einem Durchlauf vertikal durch die Kontaktglühe 3 hindurchgeführt,
hierbei ausgeglüht und unmittelbar danach im Bereich der unteren Kontaktrolle 9
derselben vorgekühlt. Wenn erwünscht, kann überdies in der der unteren Kontaktrolle
9 vorgeschalteten Führungs- und Kühiröhre 18 der mechanisch gespannt hindurchgeführte
Draht unter Dampf oder unter einem inerten Gas gehalten werden.
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Die Kühlung des Drahtes 30 wird auch noch hinter der unteren Kontaktrolle
9 etwa bis auf Raumtemperatur fortgesetzt, vorzugsweise in einer Nachkühlröhre 19.
Der abgekühlte und getrocknete Draht wird schließlich über eine Tänzerrolle 27 und
den zweiten Abschnitt des Doppelabzuges 4 der isoliert aufgestellten Spuleinrichtung
10 zugeführt, auf welcher er schließlich als fertiger Schaltdraht aufgespult wird.
Diese Art der Fertigung ist einfach und äußerst rationell. Sie läßt sich nach erfolgter
Einstellung der Stromstärke und des Spiegels der Kühlflüssigkeit 16 ohne besondere
Wartung für lange Zeit kontinuierlich durchführen, wobei lediglich die gefüllten
Spulen der Spuleinrichtung 10 ausgewechselt zu werden brauchen.
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