NO132202B - - Google Patents

Description

Nærværende oppfinnelse vedrorer en fremgangsmåte ved elektroplettering av elektriske, trådformede ledere av aluminium med nikkel, hvor lederen underkastes en forbehandling innen den fores gjennom et pletteringsbad som inneholder minst ett fluorborat7 eller sulfamatsalt av nikkel. ■

Elektriske ledere i ledninger og kabler er forst og fremst

blitt laget av kobber. I de senere år er av okonomiske grun-

ner aluminium blitt anvendt i stedet for det dyrere kobber. Imidlertid har aluminium visse ulemper sammenlignet med det

dyrere metall, som f.eks. dårligere mekaniske egenskaper og lavere ledningsevne. Disse ulemper synes imidlertid å være

akseptert. Den alvorligste ulempe med aluminium og dets legeringer er dannelsen av et isolerende oksydsjikt på over-flaten, hvilket i kombinasjon med dets store varmeutvidelses-koeffisient og lave sigeholdfasthet gjor det umulig å etablere en pålitelig og bestående lav kontaktmotstand ved koblinger i ordinære koblingsorgan, som anvendes for kobberledere.

Vanligvis tinnloddes ikke elektriske ledere i tråder og kabler, men i en del tilfeller er det onskelig å kunne lodde dem til hverandre eller til annet metall i en kabelsko. Aluminiumtråd har den ulempe at den ikke kan loddes direkte. Når uttrykket "aluminium" anvendes i det etterfolgende, menes både ren aluminium og aluminiumlegeringer.

For å eliminere forannevnte ulemper, er aluminiumtråd blitt overtrukket med andre metaller, såsom kobber. Denne overtrukne tråd har såvel bedre ledningsevne som bedre kontaktegenskaper. Slike overtrekk kan fås ved å belegge aluminium med kobber,

og da på samme måte som beskrevet i Texas Instrument Bulletin nr. 516-TB 25-468. Overtrekkene er imidlertid tykkere enn nodvendig sett ut fra elektrisk synspunkt, hvorved omkost-ningene oker betraktelig for den overtrukne tråd. Tykkelsen av overtrekket bor helst være mellom 1,5 og 3,0 pm.

Elektroplettering av aluminium er forbundet med store vanskelig-heter, og da spesielt hvis kravene til vedheftning mellom det pålagte metallsjiktet og aluminiumsoverflaten er store.

Flere metoder for elektrolytisk påforing av f.eks. nikkel direkte på aluminium er kjente, men ingen av disse kjente metoder tilfredsstiller de hoye krav til bindingen mellom det pålagte sjiktet og aluminiumsoverflaten som er gjeldende ved anvendelse av forniklet aluminiumstråd i elektriske ledere. Nikkelsjiktet utgjor lederens kontaktflate og må under ingen omstendighet losne ved den behandling lederen blir utsatt for når deri under installasjonen tilkobles til ulike typer til-koblings verktoy. Lederen må således tåle å boyes med liten radius og å deformeres under skruehoder> alternativt skrue-spisser eller andre klemanordninger, som forekommer på til-kobling sverktoy uten at overflatesjiktet losner. Overflatesjiktet må heller ikke losne når kontaktpunktene i et til-kobl ing sverktoy blir oppvarmet ved strømgjennomgang. Aluminium har nemlig en storre varmeutvidning enn nikkel.

Hvis overflate- eller kontakt-sjiktet på en aluminiumsleder i et kontaktpunkt losner, kan dette få skjebnesvangre folger.

Det nikkellose lederpartiet oksyderer fort, og da aluminium-oksyd er elektrisk ikke-ledende, minsker den effektive kontakt-overflaten. Såkalt fortrengningsmotstand oppstår i kontakt-punktet som dermed oppvarmes ved strømgjennomgang. Derav folger varmeutvidning, som oker trykket på lederen som derved kryper eller kaldflyter. Når strommen brytes og kontaktpunktene kjolner, minsker trykket på lederen, og det blir storre plass for ny oksyddannelse. Den okte oksyddannelsen forårsaker en hoyere overgangsmotstand, som resulterer i en ennå hoyere temperatur i kontaktpunktene, og dette resulterer i en fornyet kaldflytning osv. Risikoen for at det bortkomne kontakt-sjiktet kan resultere i brann er stor.

Til tross for at de fleste store kabel-fremstillerne over hele verden siden andre verdenskrig har sokt etter metoder for å gjore aluminium anvendbart som ledermateriale for installas-jonsledninger, så har ingen lykkes å avstedkomme den styrken i vedheftningen som kreves for pålegging av nikkel direkte på aluminium. For dette kreves et beisningsbad som gir en over-flateforstorring på aluminiumtråden i form av tett liggende meget små fordypninger. Ved den etterfølgende elektrolytiske påforing av nikkelsjiktet blir disse fordypningene gjennom-trengt og oppfylt helt av nikkel, og oppbyggingen av nikkelsjiktet synes å foregå med utgangspunkt i disse oppfylningene. Svært små sammenhengende oyer blir dannet, og disse oker i storrelse og bindes hardere til hverandre etterhvert som sjiktet vokser. Sjiktet skal ikke bli for tykt, og beleg-ningen skal avbrytes mens bindingene mellom nikkeloy og alumini-umsoverf late er sterkere enn bindingen mellom nikkel-oyene.

Et mangeårig arbeide ligger bak disse undersokelser, og den onskede overflatestrukturen ble vellykket fremstilt forst og fremst ved sammensetningen av beisningsbadet ifolge nærværende oppfinnelse, og som inneholder saltsyre og fluorhydrogensyre. Foruten kravet vedrorende overflatestrukturen hadde man også andre krav, og da fremfor alt kravet om at den onskede overflatestrukturen skulle være ubrutt meter etter meter og mil etter mil, og da uavhengig av eventuelle forurensninger i tråd-materialet. For at fremstillingen av forniklete aluminium-ledere skulle være okonomisk lonnsomt måtte badet dessuten arbeide raskt. Beisningen skulle helst ikke ta mer enn 15 sekunder. Videre måtte badet bestå av få komponenter, slik at det var lett å oppnå en kontinuerlig regenerering av badet.

Ett av formålene med nærværende oppfinnelse har vært å tilveiebringe en aluminiumleder med et tynt overtrekk av nikkel til lav pris.

Et annet formål med oppfinnelsen har vært å tilveiebringe et overtrekk av nikkel på en aluminiumleder, hvor overtrekket

er kraftig vedheftet til aluminiumlederen slik at det ikke gnis eller skaller av under anvendelse, og da spesielt i forbindelse med vibrasjoner eller varm-bearbeidelse.

Et ytterligere formål med oppfinnelsen har vært å tilveiebringe et nikkelovertrekk på en aluminiumleder,hvilket overtrekk har en tykkelse på ca. 1,5 - 3,0 ^um.

Endelig har det vært et formål med oppfinnelsen å tilveiebringe en fremgangsmåte ved fremstillingen av en aluminiumleder overtrukket med nikkel, og hvor lederen har de foran beskrevne onskede egenskaper.

Ifolge oppfinnelsen har man tilveiebrakt en fremgangsmåte ved elektroplettering av elektriske, trådformede ledere av aluminium med nikkel, hvor lederen underkastes en forbehandling innen den fores gjennom minst ett fluorborat- eller sulfamat-salt av nikkel, hvilken fremgangsmåte kjennetegnes ved at forbehandlingen består i å fore lederen gjennom et syrebad bestående av 3 - 5 yekt-% av 48%'ig fluorhydrogensyre, 29 - 30 vekt-% av 37,9%'ig klorhydrogensyre samt nbdvendig vann for oppnåelse av 100 vekt-I deler.

For behandlingen av tråden ved fremgangsmåten ifolge nærværende oppfinnelse blir tråden avfettet i trikloretylen eller i en sterk vannopplosning av natriumhydroksyd. Etter behandlingen ifolge nærværende oppfinnelse blir aluminiumtråden elektroplettert i et bad som inneholder minst ett fluorborat eller •sulfamat-salt av nikkel.

Ifolge en utforelsesform av oppfinnelsen kan aluminiumtråden bestå av praktisk talt ren aluminium eller en passende legering av f.eks. folgende sammensetninger:

aluminium 98,5 - 99,8% og jern 1,5 - 0,2%

aluminium 99,1%, jern 0,75% og magnesium 0,15%

aluminium 99,45%, kobber 0,40% og magnesium 0,15%.

Aluminiumtråden blir som ovenfor nevnt, fortrinnsvis gjort ren for syrebehandlingen ved fjerning av eventuelle metall- eller andre partikler som vedhefter denne, hvoretter man oppløser even-tuelt fett eller smøremiddel på tråden i en hensiktsmessig opplosning, såsom etylendiklorid eller karbontetraklorid. Oppløsningen er fortrinnsvis lettflyktig, slik at det går relativt kort tid mellom behandlingen i opplosningen og den etterfølgende syrebehandling.

Denne syrebehandling tilveiebringes ved at tråden får passere gjennom en vannopplosning inneholdende fluorhydrogensyre og klorhydrogensyre. Opplosningen inneholder 3-5 vekts-deler konsentrert fluorhydrogensyre (48%), 29-30 vekts-deler konsentrert klorhydrogensyre (37,9%) samt nødvendig vann for å oppnå 100 vektsdeler. Fortrinnsvis anvendes en opplosning inneholdende 4 vekts-deler 48%'ig fluorhydrogensyre,

30 vektsdeler 37,9%'ig klorhydrogensyre og 66 vektsdeler vann. Syrebehandlingen kan skje ved en temperatur mellom 30°C og

40°C. Hensikten med denne behandling er å etse aluminiumstråden for å oppnå en bedre forbindelse mellom aluminium og nikkelovertrekk. Etter behandling med syre ifolge nærværende oppfinnelse passerer tråden gjennom varmt vann for å fjerne eventuelle syre-rester. Deretter passerer aluminiumtråden mellom anoder av nikkel, som skal pålegges aluminiumtråden,

I hvilke anoder er nedsenket i en vannloselig elektrolytt, inneholdende ett eller flere salter av nikkel. Selv om flere salter kan tjene som elektrolytter, så foretrekkes fluorborat-eller sulfamatsalter av nikkel i en konsentrasjon på 200 -

250 g/l. Som tilsetning kan elektrolytten tilfores 1 g/l av både den frie syre og metallet.

pH-verdien av elektrolyttopplosningen er omkring 2 og kan variere innen et område på 2 - 2,5. Elektropletteringen kan skje ved en temperatur på mellom 30°C og 40°C når elektrolyt-

ten er nikkelfluorborat og mellom 50°C og 60°C når elektro-

lytten er nikkelsulfamat.

Strømtettheten og spenningen kan varieres for å passe de

vilkår under hvilke prosessen foretas. En stromtetthet på ca.

20 A/dm 2og en spenning på ca. 6 V er det mest hensiktsmessige.

' Fremgangsmåten for utfbrelse av prosessen, hvori behandlingen ifolge nærværende oppfinnelse inngår er illustrert på teg-

ningen og etterfølgende eksempel.

Fig. 1 viser et flyteskjema for prosessen, og

fig. 2 viser et tverrsnitt av anordningen etter linjen 2-2 i fig. 1.

I figurene betegner 10 en anordning for utøvelse av pletterin-gs-f r emg ang små ten..........

Tråden 9 avfettes forst i en trikloretylenavfetningsenhet 11,

og passerer deretter umiddelbart, som vist i fig. 1, over to blokker av drevne omstyringshjul 12, hvorav, minst ett er koblet til den negative pol på en likstromskilde, gjennom et syrebad 13, som inneholder en blanding fluorhydrogensyre, klorhydrogensyre og vann. Syrebadet tilveiebringer den nød-vendige perfekte vedhefting mellom tråden og nikkelovertrekket,

når dette har den nedenfor angitte sammensetning, samt holdes fullt balansert. Tråden avtdrkes og vaskes i rennende varmt vann for den passerer omstyringshjulene 14, hvoretter den inn-

fores i pletteringsbadet 16, som passerer flere ganger opp-spent mellom to blokker av drevne omstyringshjul 15, hver gang mellom par av metallanoder, f.eks. nikkelanoder 17, hvilke anoder er forbundet med den positive pol av likestromskilden'. Tråden avtorkes igjen og vaskes i rennende varmt vann 20.

Til slutt oppvinnes tråden etter å ha passert drevne omstyrings-hjulsvalser 18.

Pletteringsbadet, som kan baseres på én av de to velkjente fluorborat- eller sulfamatprosesser, må være godt balansert i sin sammensetning for å produsere en ekstremt finkornet overflate, og for å muliggjore at pletteringen penetrerer alle små åpninger som kan være forårsaket av syrebadet. Omhyggelig kontroll og justering av badets temperatur og sammensetning er nodvendig for å kunne produsere et kvalitetsprodukt. Det forhold at fluorborat- og sulfamatprosessene muliggjor at ekstremt hoye strømtettheter kan holdes i pletteringsbadet,

og det forhold at alle omstyringshjulsystem er drevne, til-later at prosessen kan foregå med hoy hastighet og lave om-kostninger .

Nedenstående eksempel viser driftsforholdene og dimensjoner

av enheter for plettering av en aluminiumtråd med nikkel.

Dette eksempel er bare et utforelseseksempel og begrenser på ingen måte oppfinnelsesgjenstanden.

Under de beskrevne betingelser kan en aluminiumstråd med 2,5 mm 2 tverrsnittsflate pletteres med et nikkelsjikt med en tykkelse på 1,5 jim.

Med anvendelse av den foran beskrevne prosess oppbygges nikkelsjiktet som et lag av sammenbundne oyer, som helt dekker og penetrerer aluminiumoverflaten, slik at alle små porositeter fylles med nikkel. Derved oppnås en meget sterk vedhefting mellom aluminiumoverflaten og nikkelsjiktét.

Den nikkélovertrukne aluminiumtråd fremstilt ifolge den ovenfor beskrevne fremgangsmåte, og hvorved forbehandlingen ifolge nærværende oppfinnelse inngikk, har samme utmerkede kpntaktegenskaper som en kobbertråd, og kan tinnloddes på samme måte som en kobbertråd. Den kan trekkes ned til mindre dimensjoner uten å miste sine kontaktegenskaper. Også en etterfolgende fortinning kan utfores med utmerket resultat,

og den varmfortinnede tråd har samme glatte og blanke overflate som en varmfortinnet kobbertråd.

Claims (3)

1. Fremgangsmåte ved elektroplettering av elektriske, trådformede ledere av aluminium med nikkel, hvor lederen underkastes en forbehandling innen den fores gjennom et pletteringsbad som inneholder minst ett fluorborat- eller sulfamat-salt av nikkel, karakterisert ved at forbehandlingen består i å fore lederen gjennom et syrebad, bestående av 3 - 5 vekt-% av 48%'ig fluorhydrogensyre, 29 - 30 vekt-% av 37,9%'ig klorhydrogensyre samt nodvendig vann for oppnåelse av 100 vektdeler.

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at det anvendes et syrebad, bestående av 4 vekt-% av fluorhydrogensyren, 30 vekt-% av klorhydrogen-syren og 66 vekt-% vann.

3. Fremgangsmåte som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved at syrebadet anvendes ved en temperatur på omkring 40°C.