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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Herstellen von Zinnschichten oder Zinnlegierungsschichten auf Draht aus Kupfer oder Kupferlegierungen durch Feuerverzinnen mit einer über den Drahtumfang gleichmässigen Dicke 3 3 un, bestehend aus einem Zinn- oder Zinnlegierungsbad und einer heizbaren profilierten
Abstreifdüse, durch die der Draht nach Durchlaufen des Bades geführt wird.
Für eine einwandfreie Lötbarkeit dickverzinnter Kupferschaltdrähte ist eine Mindestschichtdicke von 3 jim
Zinn oder Zinnlegierung an jeder Stelle des Drahtes erforderlich. Es sind bereits verschiedene Vorrichtungen zum
Herstellen von Kupferschaltdrähten bekannt oder vorgeschlagen worden, mit deren Hilfe man das Ziel verfolgt, festhaftende, gleichmässig dicke, gut lötfähige Zinnschichten auf Kuferdrähten zu schaffen. Man kann dazu den
Kupferdraht sowohl vor dem Einführen in das Zinnbad als auch nach dem Austritt aus dem Zinnbad geeignet behandeln.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift Nr. 1521487 ist z. B. eine Verzinnvorrichtung mit einer Abstreifdüse von polygonem Querschnitt bekannt, bei der zum Herstellen einer Zinnschicht der mittleren Dicke zwischen 3 und 10 auf Drähten aus Kupfer und Kupferlegierungen durch Feuerverzinnen eine auf einen Draht mit kreisförmigem Querschnitt aufgebrachte Zinnschicht beim Durchgang durch diese Abstreifdüse zu einer Schicht mit über den Umfang des Drahtes schwankender, jedoch in den Sektoren gleicher mittlerer Dicke verteilt und diese unmittelbar darauf mit einer Kalibrierdüse mit kreisförmigem Querschnitt zu einer Schicht gleichmässiger Dicke verformt wird.
Aus der franz. Patentschrift Nr. 1. 582. 069 ist es beispielsweise bekannt, eine Abstreifdüse mit einer Bohrung mit kreisförmigem Querschnitt in einer solchen Entfernung von der Oberfläche des Zinnbades oder des Bades aus einer überwiegend zinnhaltigen Legierung anzuordnen, dass die Abstreifdüse gerade innerhalb des Erstarrungsbereiches der Badkomponenten liegt.
Aus der brit. Patentschrift Nr. 921, 753 ist es beispielsweise bekannt, eine Abstreifdüse auf der Oberfläche des Zinnbades anzuordnen. Diese Abstreifdüse besitzt eine Bohrung mit kreisförmigem Querschnitt. Da bei der in der brit. Patentschrift Nr. 921, 755 beschriebenen Vorrichtung der Draht das Zinnbad am Boden des Badegefässes verlässt, soll mit dieser Abstreifdüse in erster Linie ein Auslaufen des Zinnbades verhindert werden.
Den bekannten Vorrichtungen haften noch Mängel in der laufenden Fertigung an. Vor allem treten noch Schichtdickenschwankungen auf und es ist schwierig, die Schichtdicke einzustellen. Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu überwinden.
Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe bei einer Vorrichtung der eingangs bezeichneten Art dadurch gelöst, dass der Bohrungsquerschnitt der Abstreifdüse von einem Wellenzug begrenzt ist, wobei der Wellenzug zwischen zwei konzentrischen Kreisen verläuft, dass ferner die Radien der Kreise an den Radius des Drahtes angepasst sind und dass auf jeden Millimeter des Umfanges des inneren konzentrischen Kreises 3 bis 15 Halbwellen entfallen.
Mit Hilfe der erfindungsgemässen Vorrichtung werden verzinnte Kupferdrähte erhalten, die mit einer Zinnschicht gleichmässiger Dicke über den gesamten Umfang des Drahtes versehen sind. Durch die Geometrie der profilierten Abstreifdüse wird der Bernoullieffekt, der sogenannte hydrodynamische Druck, der bei Verwendung von Düsen mit kreisrundem Bohrungsquerschnitt zu asymmetrischen Lagen des Drahtes innerhalb der Abstreifdüse und damit zu sichelförmigen Zinnschichten auf dem Kupferdraht führt, vermieden. Durch die Wahl der Wellenhöhe, d. h. durch die Wahl des Abstandes zwischen den beiden konzentrischen Kreisen, zwischen denen der Wellenzug verläuft, wird die Zinnschichtdicke festgelegt. Dabei lassen sich bei der Anpassung an den Drahtdurchmesser die Toleranzgrenzen für den Drahtdurchmesser berücksichtigen.
Zu betonen ist, dass gegenüber düsenlosen Verfahren Drahtgeschwindigkeiten angewendet werden können, die grösser als 0, 2 m/sec sind. Die Einstellung der Zinnschichtdicke kann auch noch für hohe Drahtgeschwindigkeiten, d. h. für Drahtgeschwindigkeiten oberhalb von 1 m/sec vorgenommen werden. Die erfindungsgemässe Vorrichtung lässt sich daher vielfältig und äusserst wirtschaftlich anwenden. Bei düsenlosen Verzinnungsvorrichtungen führen solche Drahtgeschwindigkeiten zu Zinnschichten, die grösser als 5 bol sind, was einen hohen, unwirtschaftlichen Zinnverbrauch bei der Verzinnung mit sich führt.
Die Abstreifdüse kann in einem Abstand von 200 bis 1200, vorzugsweise 600 bis 800 mm, oberhalb der Badoberfläche angeordnet sein.
Bei Vorrichtungen, bei denen die Abstreifdüse, die im Abstand über der Badoberfläche angeordnet ist, ist vorteilhaft eine Abstreifdüse mit etwa 3, 5 bis 15, vorzugsweise 5 bis 8 Halbwellen/mm des inneren konzentrischen Kreises vorgesehen.
Die Abstreifdüse kann aber auch derart auf der Badoberfläche angeordnet sein, dass ihre Auslauföffnung etwa in der Ebene der Badoberfläche liegt. Hiebei kann die Abstreifdüse durch das Bad bis angenähert zur Badtemperatur erhitzt werden.
Zu betonen ist, dass die profilierte Abstreifdüse unmittelbar auf der Badoberfläche aufliegt. Es werden daher keine Zinnoxyde in die Zinnschicht des Drahtes eingeführt. Das Zinn, das sich unterhalb der Einlauföffnung der Abstreifdüse befindet, wird durch die vom laufenden Zinndraht mittransportierte Zinngrenzschicht laufend erneuert, da nur ein Teil dieser Grenzschicht in die Düse einläuft. Dadurch ist es auch nicht erforderlich, organische Substanzen, beispielsweise öl, als Abdeckmittel auf dem Zinnbad zu verwenden, wie es bei den bekannten Verfahren üblich ist. Die restliche Zinnbadoberfläche kann durch Eisenbleche
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abgedeckt werden. Ein Teil der freien Zinnbadoberfläche, der im Einlaufbereiche des Drahtes in das Zinnbad liegt, wird mit Holzkohle abgedeckt.
Dadurch ist die mit der Luft reagierende freie Zinnschicht auf ein Minimum begrenzt. Anzuführen ist noch, dass keine Krackprodukte entstehen, da organische Substanzen, beispielsweise öl, als Abdeckmittel vermieden sind. Solche Krackprodukte führen häufig zu einer Störung in der Zinnschicht.
Vorteilhaft ist es auch, dass die Abstreifdüse nicht getrennt vorgeheizt werden muss. Die Abstreifdüse wird unmittelbar durch das Zinnbad erhitzt und die Temperatur der Abstreifdüse liegt im Gleichgewichtszustand nahe an der Zinnbadtemperatur.
Es ist jedenfalls vorteilhaft, die Abstreifdüse zu beheizen. Bei einem Bad aus Reinzinn und einer
Badtemperatur von 270 bis 280 C kann die Abstreifdüse auf 180 bis 220, vorzugsweise auf 200 C erhitzt werden. Bei einem Bad aus einer SnPb 40-Legierung und einer Badtemperatur von 240 bis 2600C kann die Abstreifdüse auf 160 bis 200, vorzugsweise auf 1800C erhitzt werden.
Vorteilhaft ist eine Abstreifdüse vorgesehen, bei der der Radius des inneren konzentrischen Kreises, zwischen denen der Wellenzug verläuft, 0, 5 bis 2, 5 but grösser ist, als die obere Toleranzgrenze für den Radius des Drahtes. Vorzugsweise ist eine Abstreifdüse vorgesehen, bei der die Differenz zwischen den Radien des inneren und des äusseren der konzentrischen Kreise, zwischen denen der Wellenzug verläuft, 10 bis 50, vorzugsweise 20 bis 30,u beträgt
Bei einer vorteilhaften Vorrichtung ist eine Abstreifdüse vorgesehen, bei der der Radius des inneren der konzentrischen Kreise, zwischen denen der Wellenzug verläuft, 1 bis 10, vorzugsweise 2, 5 bis 5 jut grösser als die obere Toleranzgrenze für den Radius des Drahtes ist.
Vorzugsweise ist eine Abstreifdüse vorgesehen, bei der die Differenz zwischen den Radien des inneren und des äusseren der konzentrischen Kreise, zwischen denen der Wellenzug verläuft, 20 bis 80, vorzugsweise 20 bis 60 jU beträgt.
Die Abstreifdüse kann in einer Halterung angeordnet sein, die so ausgebildet ist, dass die Abstreifdüse in der Ebene der Badoberfläche und in der Zugrichtung und entgegengesetzt zur Zugrichtung des Drahtes beweglich ist. Durch die Anordnung der Abstreifdüse in einer Halterung auf der Badoberfläche ist eine bequeme Bedienung und Handhabung beim Neueinfädeln des Drahtes z. B. beim Wechseln der Rolle oder eventuell beim Abreissen des Drahtes innerhalb einer Rolle, sichergestellt.
Die den äusseren der konzentrischen Kreise berührenden Halbwellen des Wellenzuges können wenigstens angenähert kreisbogenförmig sein. Die Abstreifdüse kann aus Diamant, Rubin, einem Hartmetall oder aus rostfreiem Stahl hergestellt sein. Die Lötbarkeit der unter Verwendung der erfindungsgemässen Vorrichtung verzinnten Kupferdrähte kann nach dem Lotkugeltest geprüft werden. Als Prüfbedingungen sind bei 0, 5 mm Drahtdurchmesser ein Lotkugelgewicht von 75 mg, falls SnPb 40 als Lot verwendet wird, und eine Prüftemperatur von 2350C festgelegt. Der eingespannte Draht wird in die flüssige Lotperle eingetaucht und die Zeit gemessen, die verstreicht, bis der Lottropfen den gesamten Draht umschlossen hat.
Bei-unter Verwendung der erfindungsgemässen Vorrichtung-verzinnten Drähten liegen diese Lötzeiten auch nach Alterung über mehrere Tage, z. B. durch Tempern unter 1 sec, was einer hervorragende Lötbarkeit bedeutet. Wegen dieser guten Lötbarkeit sind derartig verzinnte Kupferdrähte auch für das Löten mit automatischen Lötverfahren, z. B. für das Schwallöten oder das Hubtauchlöten, geeignet.
Im folgenden wird die erfindungsgemässe Vorrichtung beispielhaft an Hand der Zeichnungen näher erläutert.
In den Fig. l und 2 ist eine Dickverzinnungsanlage schematisch dargestellt. Der Kupferschaltdraht-l-- läuft in der durch Pfeile gekennzeichneten Richtung von einer Abspulvorrichtung-2-ab. Er durchläuft in einem Glühofen-3-eine Wasserdampfatmosphäre bei 800 bis 900 C, in der seine Oberfläche gereinigt wird.
Weiterhin erhält man im Glühofen-2-die geforderten Dehnungswerte von 27 bis 30%. Danach läuft der geglühte Draht-l-in ein Wasserbad--4-ein. Mit einer Trockenbürste --5-- wird nach dem Wasserbad --4-- das Wasser von der Oberfläche des Drahtes-l--abgestreift. Zur Beseitigung von Oberflächenschichten durchläuft der Kupferschaltdraht eine HCl-Beize--6--und läuft in das Zinnbad--7-ein. Die HCl-Beize besteht aus einem mit Salzsäure gefüllten Tropfgefäss. Das Tropfgefäss ist über Abstreifern, die beispielsweise aus Filz gefertigt sein können, angeordnet. Die Filzstreifen des Abstreifers werden mittels Tropfvorrichtung mit Salzsäure getränkt.
Im Zinnbad--7--wird der Draht--l--mit einer Umlenkrolle--8--umgelenkt und verlässt das Zinnbad wenigstens angenähert senkrecht. Um eine Verunreinigung des Zinnbades vor allem durch Oxydation an der Oberfläche zu vermeiden, ist das Zinnbad mit Holzkohle --9-- und im Bereich der Auslaufstelle des Drahtes-l-mit einer ölschicht --10-- abgedeckt (Fig. l). In Fig. 2 ist das Zinnbad wenigstens im Bereich der Einlaufstelle des Drahtes --1-- mit Holzkohle --9-- abgedeckt.
Der aus dem Zinnbad --7-- auslaufende Kupferdraht --1-- ist in Fig. l durch eine Abstreifdüse - geführt, die in einem Abstand--l--über der Oberfläche des Zinnbades angeordnet ist. Das überschüssige Zinn, das von dem Draht-l-mitbewegt wird, wird durch die Abstreifdüse-11-beseitigt.
In Fig. 2 ist der aus dem Zinnbad --7-- auslaufende Kupferdaht --1-- durch eine Abstreifdüse --lia-- geführt, die in das Zinnbad-7-eintaucht und deren Auslauföffnung in der Ebene der Zinnbadoberfläche liegt. Auf die Vorteile dieser Anordnung, insbesondere die fehlende Verschmutzung durch
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Oxydationsprodukte im Bereich der Auslaufstelle des Drahtes-l-wurde bereits ausführlich hingewiesen.
Nach Durchlaufen einer Kühlstrecke --12--, in der der Draht-l--luftgekühlt wird, wird der Draht über Rollen--13 und 14-umgelenkt und zu einer Aufwickelvorrichtung geführt, die in den Fig. l und 2 nicht dargestellt ist.
Die Abstreifdüsen--11 und lla-weisen eine Bohrung mit einem Wellenprofil auf. Der innere Durchmesser der Bohrung und die Tiefe der Wellen ist an den Durchmesser des Kupferschaltdrahtes angepasst.
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ist beheizt und vorzugsweise in einem Abstand--l--über der Badoberfläche angeordnet, der in an sich bekannter Weise innerhalb des Erstarrungsbereiches des Zinns oder der Zinnlegierung des Bades --7-- liegt.
Bei einer Drahtgeschwindigkeit die grösser als 1 m/sec ist, beträgt der Abstand 200 bis 1200, vorzugsweise 600 bis 800 mm. Eine Vorrichtung zum Beheizen der Abstreifdüse-11-ist, um die übersichtlichkeit zu wahren, in Fig. l nicht eingezeichnet. Die Abstreifdüse kann elektrisch, beispielsweise mit einer Induktionsspule, beheizt werden. Als günstig hat es sich erwiesen, bei einem Zinnbad, dessen Badtemperatur zwischen 270 und 280 C liegt, eine Temperatur von 180 bis 220, vorzugsweise von 2000C und für ein Bad aus SnPb 40, dessen Temperatur zwischen 240 und 2600C liegt, eine Temperatur von 160 bis 200, vorzugsweise 1800C für die Abstreifdüse--11--zu wählen.
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In Fig. 3 ist ein Schnitt durch eine Abstreifdüse --11 bzw. lla-dargestellt, wobei in der Bohrung
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derverläuft der geschlossene Wellenzug-18--. Der Wellenzug --18-- besitzt pro mm des Umfanges des inneren Kreises --16-- zwischen 3, 5 und 15 Halbwellen bei der Abstreifdüse --11-- und zwischen 3 und 15 Halbwellen bei der Abstreifdüse --11a--, vorzugsweise 5 bis 8 Halbwellen. In der Fig. 3 ist eine Abstreifdüse für einen Drahtradius --RD-- von 0,25 mm dargestellt. Es ist ein Wellenzug mit 8 Halbwellen vorgesehen, dies entspricht etwa 5 Halbwellen, bezogen auf die Längeneinheit des Umfanges. Die Radien --R1 und Round damit die Tiefe--R-Ri--der Halbwellen des Wellenzuges--18--sind an den Radius--RD--des Drahtes angepasst.
Für diese Anpassung sind die Toleranzgrenzen für den Drahtradius--RD--und die gewünschte Schichtdicke für die Verzinnung ausschlaggebend. Die Toleranzgrenzen für den Drahtradius --RD-- gehen im wesentlichen in den Radius --R1-- des inneren konzentrischen Kreises--16--ein. Dieser Radius muss so gross gewählt werden, dass beim Durchlaufen des Drahtes sich das Wellenprofil nicht in die Drahtoberfläche eingräbt. Günstig ist es bei einer Vorrichtung nach Fig. l, wenn--Ri--0, 5 bis 2, 5 je grösser
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der Wellenmaxima bzw.-minima, dji. durch die Zahl der Halbwellen/mm des Umfanges bestimmt.
In Fig. 4 ist ein vergrösserter Ausschnitt der Abstreifdüsen --11,11a-- nach Fig.3 dargestellt. Der Fig. 4 ist zu entnehmen, dass die Halbwellen -18a--, die den äusseren konzentrischen Kreis --17-- berühren, vorzugsweise wenigstens angenähert halbkreisförmig sind. Der Radius--r--des einer Halbwelle --18a--
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mit dem inneren konzentrischen Kreis --16-- gebildet wird, sind neben der Differenz zwischen den Radien - Ri und Rader konzentrischen Kreise-16 und 17-- für die Schichtdicke ausschlaggebend. Der Radius --r-- bzw. die Länge der Sehne--c--wird durch die Anzahl der Halbwellen des Wellenzuges--18-- bestimmt.
Es hat sich gezeigt, dass für eine Schichtdicke, die zwischen 3 und ungefähr 7 jn Hegt, die Anzahl der Halbwellen/mm des Umfanges --R1-- des Kreises --16-- zwischen 3,5 und 15 bei einer Vorrichtung nach Fig. l und zwischen 3 und 15 bei einer Vorrichtung nach Fig. 2 liegen muss, wobei die Differenz --R2-R1-zwischen den Radien --R1 und Rider konzentrischen Kreise--16 und 17-- von 10 bis 50, vorzugsweise zwischen 20 und 30 Il, bei einer Vorrichtung nach Fig. l bzw. von 20 bis 80, vorzugsweise zwischen 40 und 60 Il bei einer Vorrichtung nach Fig. 2 varriert werden kann.
Mit einer so Bemessenen Abstreifdüse wird die auf dem Draht haftende Zinnschicht-profiliert. Die anschliessende Glättung wird durch die Oberflächenspannung der profilierten Zinnschicht von selbst herbeigeführt, wobei durch die Form der Profilierung eine gleichmässige mittlere Schichtdicke wenigstens angenähert konstanter Grösse über den gesamten Drahtumfang erreicht wird.
Damit erhält man die bereits geschilderten Vorzüge und die hervorragenden Löteigenschaften des nach dem erfindungsgemässen Verfahren verzinnten Kupferschaltdrahtes.
Um eine möglichst hohe Standfestigkeit der Abstreifdüsen --11,11a-- zu erreichen, werden diese aus Diamant, Rubin, -einem Hartmetall oder aus rostfreiem Stahl hergestellt. Zur Herstellung geht man von einer Abstreifdüse mit einer kreisförmigen Bohrung aus, deren Durchmesser --2R1-- ist. Zur Herstellung einer Abstreifdüse gemäss Fig. 3 mit 8 Halbwellen für einen Drahtradius --RD-- von 0,25 mm wird die Düse in eine 8-eckige Haltevorrichtung eingespannt und ein Wolframdraht vom Durchmesser--r--durch die Bohrung der
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Düse gefädelt und in einer exakten Führung hin- und herbewegt. Als Schleifmittel kann Diamantboard verwendet werden. Die Bearbeitung wird schrittweise durchgeführt und die Wellentiefe mikroskopisch ausgemessen.
Nach Ausschleifen einer Halbwelle wird die Einspannvorrichtung auf die nächste Polygonfläche gestellt, so dass der Reihe nach die acht kreisbogenförmigen Halbwellen'eingearbeitet werden. Die scharfen Kanten werden anschliessend durch Nachpolieren abgerundet. Für den speziellen Fall eines zu verzinnenden 0, 500 mm starken Kupferschaltdrahtes mit den Toleranzgrenzen 0, 497 bis 0, 508 mm hat die profilierte Abstreifdüse mit 8 Halbwellen die folgenden Abmessungen : Radius-Ri-0, 259 bis 0, 26 mm ; Radius-R. ;- 0, 284 bis 0, 285 mm. Bei der Dickverzinnung mit dieser profilierten Abstreifdüse wurde ein Reinzinnbad der Temperatur 270 bis 2800C verwendet.
Der Kupferschaltdraht hatte bei diesem Ausführungsbeispiel eine Durchlaufgeschwindigkeit von 1 m/sec und die Temperatur der Abstreifdüse betrug 200 C, Der Abstand der profilierten Düse-11-von der Badoberfläche lag zwischen 600 und 800 mm. Es wurde eine gleichmässige Zinnschichtdicke erhalten, die sowohl durch galvanische Abtragung als auch in Querschliffen lichtoptisch bestimmt wurde. Die gemessene Zinnschichtdicke betrug 5 bis 6, 5 je.'
Fig. 5 zeigt das Zinnbad --7-- der Fig. 2 in vergrösserter Darstellung. Das Zinnbad --7-- ist in einem Gefäss --20-=-- untergebracht und kann geheizt werden. Vorrichtungen zur Heizung sind in der Fig. 5 nicht dargestellt, um die übersichtlichkeit zu wahren.
Ebenfalls nicht dargestellt ist in der Fig. 5 die Abdeckung durch Holzkohle --9--, die in Fig. 2 gezeigt ist. Der Kupferdraht --1-- läuft in das Zinn bad --7-- ein, wird mit der Umlenkrolle --8-- umgelenkt und verlässt das Zinnbad wenigstens angenähert senkrecht. Die Abstreifdüse - lla-- ist so angeordnet, dass die Auslauföffnung--15a--der Bohrung--15--sich etwa in der Höhe
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ist--22-- weist an ihrem Boden und an ihrem Deckel Öffnungen--23 und 24--auf, deren Durchmesser wesentlich kleiner als die Breite der Abstreifdüse-lla-ist. Die Abstreifdüse --11a-- liegt im Inneren der Runddose--22--auf dem Boden auf und ist daher in der Ebene der Badoberfläche nach allen Richtungen beweglich.
Da die Entfernung vom Boden zum Deckel der Runddose--22-grösser ist als die Dicke der Abstreifdüse-lla--, ist die Abstreifdüse auch in Zugrichtung des Drahtes --1-- beweglich gehalten.
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--15b-- auf- -1-- geringfügig beweglich. Auf die Vorteile dieser Halterung wurde'bereits hingewiesen. Zu betonen ist noch, dass durch'die Beweglichkeit der Abstreifdüse-lla-ein Reissen des Drahtes während des Betriebes weitgehend vermieden wird.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Vorrichtung zum Herstellen von Zinnschichten oder Zinnlegierungsschichten auf Draht aus Kupfer oder Kupferlegierungen'durch Feuerverzinnen mit einer über den Drahtumfang gleichmässigen Dicke grösser als 3 ju, bestehend aus einem Zinn- oder Zinnlegierungsbad und einer heizbaren profilierten Abstreifdüse, durch die der
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Bohrungsquerschnitt der Abstreifdüse (11, lla) von einem Wellenzug (18) begrenzt ist, dass der Wellenzug (18) zwischen zwei konzentrischen Kreisen (16,17) verläuft, dass ferner die Radien (R1, Rs) der Kreise (16,17) an den Radius (RD) des Drahtes (1) angepasst sind und dass auf jeden Millimeter des Umfanges des inneren konzentrischen Kreises (16) 3 bis 15 Halbwellen (18a) entfallen.
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