DE102012017520A1

DE102012017520A1 - Verfahren zur Zinnbeschichtung eines metallischen Substrats,Verfahren zur Härtung einer Zinnschicht, sowie Draht mit einer Zinnbeschichtung

Info

Publication number: DE102012017520A1
Application number: DE102012017520.5A
Authority: DE
Inventors: Ingo Jolk; Mathias Fiolka; Gerhard Bürstner; Jörg Liedemann
Original assignee: EDELHOFF ADOLF FEINDRAHTWERK; Feindrahtwerk Adolf Edelhoff & Co KG GmbH
Current assignee: EDELHOFF ADOLF FEINDRAHTWERK; Feindrahtwerk Adolf Edelhoff & Co KG GmbH
Priority date: 2012-09-05
Filing date: 2012-09-05
Publication date: 2014-03-06
Also published as: US9592533B2; US20140079957A1

Abstract

Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zur Zinnbeschichtung eines Drahts (1). Bei dem Verfahren wird zunächst eine Zinnschicht (9), und darauf eine Metallschicht (10) aus einem von Zinn verschiedenen Metall aufgebracht. Anschließend werden die Schichten (9, 10) einem Diffusionsglühvorgang unterworfen.

Description

Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zur Zinnbeschichtung eines metallischen Substrats, insbesondere eines Drahts, wie beispielsweise eines Profildrahts oder eines Runddrahts.
Drähte mit Zinnbeschichtungen werden beispielsweise in der Elektronikindustrie verwendet. Die Zinnbeschichtung kann dabei als eine Art Korrosionsschutz für ein darunterliegendes metallisches Substrat dienen. Vorteilhaft werden Zinnbeschichtungen auch verwendet, wenn die Drähte Lötprozessen unterzogen werden sollen.
Insbesondere für einen effektiven Korrosionsschutz ist es von Vorteil, dass die Zinnbeschichtung durch und in Be- und Verarbeitungsanlagen möglichst wenig geschädigt wird, und insbesondere der Abrieb an der Zinnbeschichtung möglichst gering gehalten werden kann. Insoweit ist es wünschenswert besonders harte und abriebfeste Zinnbeschichtungen insbesondere für Drähte herstellen zu können.
Ausgehend davon ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, mit welchem besonders beständige, insbesondere gegen mechanische Belastungen beständige, Zinnbeschichtungen auf Substraten, insbesondere Drähten, hergestellt werden können. Ferner soll ein Verfahren angegeben werden, mit welchem – im Vergleich zu aus reinem Zinn hergestellten Beschichtungen – härtere Zinnbeschichtungen hergestellt werden können. Des Weiteren soll ein Draht mit entsprechend verbesserter Zinnbeschichtung angegeben werden.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der Ansprüche 1, 9 und 14. Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen.
Nach Patentanspruch 1 ist ein Verfahren zur Zinnbeschichtung eines metallischen Substrats vorgesehen. Bei dem metallischen Substrat kann es sich insbesondere um einen Draht, beispielsweise um einen Profil- oder Runddraht handeln.
Das Verfahren zur Zinnbeschichtung umfasst aufeinanderfolgend die folgenden Schritte:

– Aufbringen einer Zinnschicht auf das Substrat;
– Aufbringen zumindest einer Metallschicht aus zumindest einem von Zinn verschiedenen Metall; und
– Durchführung eines zumindest die Zinnschicht und die zumindest eine Metallschicht umfassenden Diffusionsglühvorgangs.

Die Zinnschicht kann beispielsweise chemisch oder elektrochemisch abgeschieden werden. Die Zinnbeschichtung kann zum Schutz des Substrats vor Korrosion aufgebracht sein. Ferner kann die Zinnbeschichtung zum Zwecke der besseren Verlötbarkeit aufgebracht sein.
Die zumindest eine Metallschicht, bei der es sich beispielsweise um eine das Metall Nickel, Cobalt, Silber, Gold oder Platin umfassende Schicht handeln kann, kann ebenfalls chemisch oder elektrochemisch aufgebracht sein bzw. werden.
Nach Aufbringen der zumindest einen Metallschicht wird zumindest bei der Zinnschicht und der zumindest einen Metallschicht ein Diffusionsglühvorgang durchgeführt. Das soll insbesondere bedeuten, dass zumindest die Zinnschicht und die zumindest eine Metallschicht durch Diffusionsglühen wärmebehandelt, genauer geglüht, werden.
Bevorzugt wird der Diffusionsglühvorgang im Durchlauf bzw. einer Durchlaufglühanlage durchgeführt. Alternativ kann das metallische Substrat, insbesondere der Draht auch im Batch, d. h. als Ganzes inklusive der Beschichtungen, beispielsweise auf oder als Rolle, dem Diffusionsglühvorgang unterzogen werden.
Überraschender Weise wurde gefunden, dass mit dem vorgeschlagenen Verfahren Zinnbeschichtungen bzw. Zinnschichten hergestellt werden können, welche gegenüber reinen Zinnbeschichtungen bzw. Zinnschichten verbesserte mechanische Festigkeiten aufweisen. Insbesondere können Zinnbeschichtungen bzw. Zinnschichten hergestellt werden, die gegenüber reinen Zinnschichten eine größere Härte und/oder eine verbesserte Abriebfestigkeit aufweisen. Für die hier vorgeschlagenen Zinnbeschichtungen bzw. Zinnschichten konnte eine in Anlehnung an die Methode von Wolf Wilburn nach ISO 15184 bzw. DIN EN 13523-4 ermittelte Härte von bzw. im Bereich von 7H erreicht werden. Für herkömmliche, insbesondere reine, Zinnschichten wurden Härten von lediglich 4H gemessen. Das zeigt deutlich, dass mit der hier vorgeschlagenen Zinnbeschichtung bzw. den vorgeschlagenen Zinnschichten größere Härten, insbesondere Oberflächenhärten, erreicht werden können.
Insbesondere auf Grund der höheren Härte kann bei der Ver- bzw. Bearbeitung des metallischen Substrats, insbesondere des Drahts, der beispielsweise durch Bearbeitungsmaschinen verursachte Abrieb an der Zinnbeschichtung bzw. Zinnschicht, verringert werden. Mit härteren Zinnschichten und damit einhergehend weniger Abrieb kann insbesondere ein insgesamt verbesserter Korrosionsschutz erreicht werden.
Ein reduzierter Abrieb bei der Be- und Weiterverarbeitung hat ferner den Vorteil, dass reinigungsbedingte Stillstandszeiten jeweiliger Be- und Verarbeitungsmaschinen verringert werden können.
Ein weiterer möglicher Vorteil härterer Zinnbeschichtungen bzw. Zinnschichten ist, dass unter Umständen die Dicke der aufgebrachten Zinnschicht verringert werden kann, woraus sich Einsparungen beim Beschichtungsmaterial ergeben können.
Bei dem Verfahren ist es in einer Ausgestaltung möglich, dass die Zinnschicht in einer Dicke von 1 μm bis 20 μm aufgebracht wird. Bevorzugt wird die Zinnschicht in einer Dicke zwischen 1 μm und 8 μm aufgebracht bzw. abgeschieden. Die genannten Dickenbereiche haben sich insbesondere für Korrosionsschutzzwecke als ausreichend erwiesen. Vorteilhaft können die Zinnbeschichtungen und Zinnschichten in den angegebenen Dickenbereichen als Korrosionsschutz bei Drähten, insbesondere Profildrähten und Runddrähten verwendet werden. Die Dicke bzw. der Durchmesser der Drähte bzw. des Substrats, kann beispielsweise im Bereich zwischen 0,20 mm und 3,0 mm liegen.
Wie bereits erwähnt wurde, wird die Zinnschicht bevorzugt chemisch oder elektrochemisch auf das Substrat abgeschieden. Ein möglicher Vorgang zur Abscheidung der Zinnschicht insbesondere auf einem Drahtsubstrat, kann beispielsweise die folgenden Teilschritte umfassen:

– Reinigung der Oberfläche des Substrats, bzw. des Drahts, beispielsweise durch elektrochemische Verfahren, wobei die Reinigung insbesondere eine Entfettung der Oberfläche umfassen kann;
– Aktivierung der Oberfläche, beispielsweise durch eine Säurebehandlung; und
– Aufbringen der Zinnschicht, wobei optional vor Aufbringen der Zinnschicht noch eine Zwischenschicht aus Nickel auf das Substrat aufgebracht werden kann.

Die Zinnschicht und die optionale Nickelschicht können, wie bereits erwähnt, chemisch oder elektrochemisch abgeschieden werden. Nach Abscheiden der Zinnschicht, und vor Aufbringen bzw. Abscheiden der Metallschicht, kann ein Reinigungsschritt und ggf. ein Trocknungsschritt vorgesehen sein. Auf die, optional gereinigte und getrocknete, Zinnschicht kann dann die Metallschicht abgeschieden werden, gefolgt von der Diffusionsglühung, insbesondere des Schichtverbunds aus Zinnschicht und Metallschicht.
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Metallschicht in einer Dicke, insbesondere in einer mittleren Dicke, von 10 nm bis 100 nm, bevorzugt in einer Dicke bzw. mittleren Dicke von 40 nm bis 80 nm, insbesondere 60 nm bis 80 nm, insbesondere 80 nm aufgebracht bzw. abgeschieden wird. Solche Dicken der Metallschicht haben sich für die vorweg angegebenen Dicken der Zinnschicht, insbesondere für die Erreichung verbesserter Härten und Abriebfestigkeiten, als geeignet und auch als ausreichend erwiesen. Insbesondere reichen die vorgeschlagenen Dicken aus, damit die nach dem Diffusionsglühvorgang resultierende Beschichtung zumindest an dessen Oberfläche eine verbesserte und ausreichende Härte, insbesondere für nachfolgende mechanische Beanspruchungen in Be- und Verarbeitungsmaschinen, aufweist.
Nach einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens kann, wie bereits angedeutet, vorgesehen sein, dass vor Aufbringen der Zinnschicht eine Zwischenschicht im Wesentlichen aus Nickel auf das metallische Substrat aufgebracht wird. Die zwischen Substrat und Zinnschicht befindliche Nickelschicht kann insbesondere dazu vorgesehen sein, die Bildung sogenannter Whisker zu verringern. Die Formulierung ”im Wesentlichen aus Nickel” soll insbesondere bedeuten, dass es sich bei der Nickelschicht um eine aus Nickel und unvermeidbaren Verunreinigungen bestehende Nickelschicht handeln kann.
Nach einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass das zumindest eine Metall der Metallschicht ausgewählt ist aus der folgenden Gruppe: Cobalt, Gold, Nickel, Platin, Silber, Eisen, Rhodium, Kupfer. Insbesondere mit den vorgeschlagenen Metallen kann eine besonders vorteilhafte Härte und Abriebbeständigkeit für die sich ergebende Zinnbeschichtung erreicht werden.
Nach einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass der Diffusionsglühvorgang derart durchgeführt wird, dass zumindest die Zinnschicht und die Metallschicht auf eine Diffusionsglühtemperatur zwischen 100°C und 500°C erhitzt werden. Bevorzugter Weise liegt die Diffusionstemperatur zwischen 200°C und 400°C. Bei den angegebenen Diffusionstemperaturen können vorteilhafte und ausreichende Härten und Oberflächeneigenschaften erreicht werden. Insbesondere kann erreicht werden, dass das Metall der auf die Zinnschicht aufgebrachten Metallschicht in die Zinnschicht diffundiert, wodurch insbesondere zumindest eine oberflächennahe Härtung der sich ergebenden Zinnbeschichtung erreicht werden kann.
Insbesondere kann erreicht werden, dass das Metall der Metallschicht, beispielsweise in Form von Metallpartikeln, oberflächennah und mit zum inneren hin abnehmender Konzentration in der sich ergebenden Zinnbeschichtung vorliegt. Das kann für eine vergleichsweise hohe Oberflächenhärte von Vorteil sein. Besonders vorteilhaft zur Erreichung des beschriebenen Verlaufs der Konzentration des Metalls in der sich ergebenden Zinnbeschichtung haben sich die oben für den Diffusionsglühvorgang angegebenen Temperaturen und Temperaturbereiche erwiesen.
Die Formulierung ”zum inneren hin” soll insbesondere verstanden werden als ”in einer Richtung von außen nach innen”, d. h. von außen zum Substrat hin. insbesondere bei Runddrähten soll die Formulierung ”zum inneren hin” als ”in radialer Richtung zum Substrat hin” verstanden werden.
Mit dem durch den Diffusionsglühvorgang erreichten Konzentrationsgefälle können insbesondere in oberflächennahen Bereichen verbesserte Härten erreicht werden. Bei geeigneter Durchführung des Diffusionsglühvorgangs und ausreichend schneller Abnahme der Konzentration des Metalls kann erreicht werden, dass weiter im inneren der resultierenden Zinnbeschichtung gelegene Bereiche oder Schichten in ihren Eigenschaften im Wesentlichen nicht oder kaum beeinträchtigt werden.
Nach einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird zumindest die Zinnschicht und die Metallschicht beim Diffusionsglühvorgang für eine Dauer zwischen 10 ms und 1200 s erhitzt. Bevorzugt erfolgt das Erhitzen in einem Zeitrahmen zwischen 10 ms und 10 s, weiter bevorzugt zwischen 50 ms und 3 s. Beim Diffusionsglühvorgang werden zumindest die Zinnschicht und die Metallschicht erhitzt, was insbesondere bedeuten soll, dass zumindest diese beiden Schichten derart erhitzt werden, dass deren mittlere Temperatur für die jeweilige Zeitdauer im Bereich der jeweils gewünschten Temperatur liegt.
Das metallische Substrat, insbesondere für den Fall, dass es sich um einen Draht, insbesondere einen Profil- oder Runddraht handelt, kann im Wesentlichen aus Kupfer, einer Kupferlegierung, Stahl und/oder Aluminium hergestellt sein. Insbesondere kommen Substrate, bevorzugt Drähte, in Betracht, welche eine mit Kupfer oder einer Kupferlegierung ummantelte Seele aus Aluminium oder Stahl aufweisen.
Nach Anspruch 9 ist ein Verfahren zum Härten einer auf einem Substrat, insbesondere einem Profil- oder Runddraht, befindlichen Zinnschicht vorgesehen.
Das Verfahren zum Härten der Zinnschicht, im Folgenden auch Härtungsverfahren genannt, umfasst die folgenden Schritte:

– Abscheiden zumindest einer Metallschicht aus zumindest einem von Zinn verschiedenen Metall auf die Zinnschicht; und
– Durchführen eines zumindest die Zinnschicht und die zumindest eine Metallschicht umfassenden Diffusionsglühvorgangs.

Mit dem nach Anspruch 9 vorgeschlagenen Verfahren können, in analoger Weise wie weiter oben bereits dargelegt, besonders vorteilhafte Oberflächenhärten und Abriebfestigkeiten bei der resultierenden Zinnbeschichtung erreicht werden. Für weitere Vorteile und vorteilhafte Wirkungen wird auf die obigen Ausführungen verwiesen.
Bei dem vorgeschlagenen Härtungsverfahren ist es möglich, dass die Zinnschicht eine Dicke im Bereich zwischen 1 μm bis 20 μm, vorzugsweise zwischen 1 μm und 8 μm aufweist. Insbesondere in diesem Fall kann die Metallschicht eine Dicke von 10 nm bis 100 nm, vorzugsweise eine Dicke von 40 nm bis 80 nm aufweisen. Wie bereits erwähnt können mit den für die Metallschicht angegebenen Dicken zufriedenstellende und ausreichende Oberflächenhärten und Abriebfestigkeiten erreicht werden. Ergänzend wird auf obige Ausführungen verwiesen, die hier in analoger Weise gelten.
In einer Ausgestaltung des Härtungsverfahrens ist vorgesehen, dass das Metall der Metallschicht ausgewählt ist aus der Gruppe Cobalt, Gold, Nickel, Platin, Silber, Eisen, Rhodium, Kupfer. Wegen Vorteilen und vorteilhaften Wirkungen wird auf obige Ausführungen verwiesen. Insbesondere mit den vorgeschlagenen Metallen, insbesondere Edelmetallen, kann eine für Drähte, insbesondere Profil- oder Runddrähte, eine ausreichende Härtung der Zinnbeschichtung, und eine damit verbundene Verringerung des Abriebs in Be- und Verarbeitungsmaschinen erreicht werden.
In analoger Weise wie weiter oben im Zusammenhang mit dem Verfahren zur Zinnbeschichtung ausgeführt, kann der Diffusionsglühvorgang bei dem vorgeschlagenen Härtungsverfahren derart durchgeführt werden, dass zumindest die Zinnschicht und die Metallschicht auf eine Diffusionsglühtemperatur zwischen 100°C und 500°C, bevorzugt zwischen 200°C und 400°C erhitzt werden. Im Hinblick auf das Erhitzen der jeweiligen Schichten bzw. des Schichtsystems wird auf die obigen Ausführungen und Definitionen verwiesen, die hier entsprechend Anwendung finden und gelten.
Entsprechend dem Verfahren zur Zinnbeschichtung kann bei dem Härtungsverfahren vorgesehen sein, dass die Zinnschicht und die Metallschicht beim Diffusionsglühvorgang für eine Dauer zwischen 10 ms und 1200 s, vorzugsweise zwischen 10 ms und 10 s, weiter vorzugsweise zwischen 50 ms und 3 s, erhitzt werden. Auch hier wird auf die obigen Ausführungen verwiesen.
Nach Anspruch 14 ist ein metallischer Gegenstand in Form eines Drahts, insbesondere eines Profil- oder Runddrahts, vorgesehen. Der Draht umfasst eine nach einem wie oben beschriebenen Verfahren zur Zinnbeschichtung, einschließlich aller Ausgestaltungen des Verfahrens, hergestellte Zinnbeschichtung.
Die Zinnbeschichtung des metallischen Gegenstands weist, entsprechend den obigen Ausführungen, eine besonders vorteilhafte Härte und Abriebfestigkeit auf. Zinnbeschichtungen dieser Art eignen sich besonders für Drähte, die nach deren Herstellung in der Regel diversen Be- und Verarbeitungsmaschinen zugeführt werden. Die im Vergleich zu reinen Zinnbeschichtungen erreichte höhere Härte und Abriebfestigkeit kann auf Drahtseite zu verbessertem Korrosionsschutz, und auf Seiten der Be- und Verarbeitungsmaschinen zu verringerten Reinigungs- und damit Stillstandzeiten führen. Ergänzend, insbesondere betreffend die erreichbare Härte, wird auf die obigen Ausführungen verwiesen.
Nach Anspruch 15 ist ein metallischer Gegenstand in Form eines Drahts vorgesehen. Insbesondere kann es sich bei dem Draht um einen Profil- oder Runddraht handeln. Der Draht, umfasst eine nach dem weiter oben beschriebenen Härtungsverfahren und Ausgestaltungen desselben gehärtete Zinnbeschichtung. Wegen Vorteilen und vorteilhaften Wirkungen wird auf die obigen Ausführungen verwiesen, die hier mutatis mutandis gelten.
Nach Anspruch 16 ist ein Draht, insbesondere ein Profildraht oder Runddraht, vorgesehen, welcher ein Substrat und eine dem Substrat nachgeschaltete Zinnbeschichtung umfasst. Nachgeschaltet in diesem Sinne soll insbesondere bedeuten, dass die Zinnbeschichtung auf dem Substrat selbst oder auf einer auf dem Substrat befindlichen Zwischenschicht abgeschieden sein kann.
Bei dem vorgeschlagenen Draht umfasst die Zinnbeschichtung in einem vom Substrat abgewandten Schichtbereich Metallpartikel aus zumindest einem von Zinn verschiedenen Metall, wobei die Metallpartikel insbesondere heterogen verteilt sind, und die Konzentration der Metallpartikel im Schichtbereich in einer von Substrat weglaufenden Richtung, insbesondere nach außen hin, zunimmt.
Die Verteilung der Metallpartikel beruht und resultiert bei dem vorgeschlagenen Draht auf einem Diffusionsglühvorgang eines Schichtsystems umfassend eine Zinnschicht und zumindest eine Metallschicht aus zumindest einem von Zinn verschiedenen Metall. Die vorgeschlagene Zinnbeschichtung umfasst damit zumindest an deren Oberfläche bzw. in einem oberflächennahen Schichtbereich eine durch Diffusionsglühen erreichte, insbesondere heterogene, Mischung aus Zinn und Metallpartikel des Metalls. Eine solche Struktur hat sich insbesondere gegenüber reinen Zinn-Schichten als vergleichsweise hart und abriebbeständig erwiesen. Bezüglich der Härte wird auf obige Ausführungen verwiesen, die hier entsprechend gelten.
Der Schichtbereich, in welchem die Metallpartikel des Metalls enthalten sind erstreckt sich von der äußeren Oberfläche in Richtung Substrat vorzugsweise über 30% bis 75% der Dicke der gesamten Zinnbeschichtung. Eine derartige Verteilung der Metallpartikel insbesondere im äußeren Bereich der Zinnbeschichtung hat sich als ausreichend erwiesen, um die bereits erwähnten vorteilhaften Härten und Abriebfestigkeiten zu erhalten.
Bei dem Draht kann das Metall der Metallpartikel ausgewählt sein aus der Gruppe: Cobalt, Gold, Nickel, Platin, Silber, Eisen, Rhodium, Kupfer. Wegen Einzelheiten und Vorteilen zu den genannten Metallen wird auf obige Ausführungen verwiesen.
Bei dem Draht kann das Substrat im Wesentlichen aus Kupfer, einer Kupferlegierung, aus Stahl und/oder aus Aluminium und dessen Legierungen hergestellt sein. Auch kann das Substrat eine mit Kupfer oder einer Kupferlegierung ummantelte Seele aus Stahl oder Aluminium umfassen.
Zwischen dem Substrat und der Zinnbeschichtung kann, wie bereits im Zusammenhang mit den weiter oben beschriebenen Verfahren genannt, eine Zwischenschicht aus Nickel angeordnet sein. Wegen etwaiger Vorteile wird auf die obigen Ausführungen verwiesen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Es zeigen:
1 einen Längsschnitt eines erfindungsgemäß hergestellten Drahts; und
2 einen Längsschnitt durch den Draht in einem Zwischenstadium während dessen Herstellung;
1 zeigt einen Längsschnitt eines erfindungsgemäßen Drahts 1. Der Draht 1 umfasst ein Substrat 2. Das Substrat 2 wiederum umfasst eine Seele 3, welche aus Kupfer oder Stahl bestehen kann. Die Seele 3 ist mit einer Mantelschicht 4 aus Kupfer oder einer Kupferlegierung umgeben bzw. plattiert. Drähte mit derartigem Aufbau sind auch unter der Kurzbezeichnung AlKu oder StaKu bekannt.
Der Draht 1 kann auch ein Substrat 2 mit einem anderen Aufbau aufweisen. Beispielsweise kann das Substrat 2 aus einem nicht plattierten Material wie beispielsweise Kupfer, einer Kupferlegierung, Stahl usw. bestehen.
Der Draht 1 umfasst des Weiteren eine dem Substrat 2, im vorliegenden Fall der Mantelschicht 4, nachgeschaltete Zinnbeschichtung 5. Die Zinnbeschichtung 5 wurde nach einem der nachfolgend genauer beschriebenen Verfahren hergestellt, wobei die Zinnbeschichtung 5 eine Basis-Zinnschicht 6 umfasst, welche in einem vom Substrat 2 abgewandten Schichtbereich 7 Metallpartikel 8 umfasst.
Die Metallpartikel 8 sind in der Darstellung der 1 durch eine Schattierung angedeutet, die gleichzeitig den, weiter unten noch genauer beschriebenen, Konzentrationsverlauf der Metallpartikel 8 in der Zinn-Basisschicht 6 andeutet. Die Metallpartikel 8 sind aus einem von Zinn verschiedenen Metall, insbesondere aus Cobalt, Gold, Nickel, Platin, Silber, Eisen, Rhodium und/oder Kupfer.
Die Metallpartikel 8 sind durch Diffusionsglühen eines Schichtverbunds aus einer Zinnschicht und einer auf die Zinnschicht aufgebrachten Metallschicht aus dem Metall der Metallpartikel erzeugt.
Insbesondere durch den Diffusionsglühvorgang sind die Metallpartikel 8 der Zinnbeschichtung 5 heterogen verteilt, wobei deren Konzentration von außen nach innen hin, d. h. zum Substrat 2 hin, abnimmt. Die Metallpartikel 8 sind etwa in einem äußeren Schichtbereich mit einer Dicke zwischen 30% und 50% der Dicke D1 der Zinnbeschichtung 5 enthalten. In dem darunter befindlichen Bereich sind im Wesentlichen keine Metallpartikel 8 enthalten.
Der vorgeschlagene Draht 1 mit der die Metallpartikel 8 in einem äußeren Schichtbereich enthaltenden Zinnbeschichtung 5 zeigt eine im Vergleich zu reinen Zinnbeschichtungen höhere Härte und Abriebfestigkeit. Insoweit ist es möglich, einen effektiven Korrosionsschutz bereitzustellen. Ferner kann der an Ver- und Bearbeitungsmaschinen entstehende Zinn-Abrieb verringert werden, was in der Regel zu geringeren Standzeiten für Reinigung und Wartung führt. Bezüglich der erreichbaren Härte wird auf Ausführungen weiter oben verwiesen.
2 zeigt einen Längsschnitt durch den Draht 1 in einem Zwischenstadium während dessen Herstellung. Das Substrat 2 entspricht im Aufbau dem der 1. Auf dem Substrat 2 ist eine Zinnschicht 9 abgeschieden. Auf der Zinnschicht 9 ist eine Metallschicht 10 abgeschieden. Die Metallschicht 10 ist aus dem, wie bereits erwähnt, von Zinn verschiedenen Metall hergestellt.
Die Zinnschicht 9 sowie die Metallschicht 10 können beispielsweise durch chemische oder elektrolytische Verfahren abgeschieden oder aufgebracht werden. Die Zinnschicht 9 kann dabei auf das Substrat 2 in einer Dicke zwischen 1 μm bis 20 μm, bevorzugt in einer Dicke zwischen 1 μm und 8 μm abgeschieden werden.
Die Metallschicht 10 wird vorzugsweise in einer Dicke zwischen 10 nm und 100 nm, bevorzugt in einer Dicke zwischen 40 nm und 80 nm abgeschieden. Es soll bemerkt werden, dass unter der Dicke einer Schicht vorliegend insbesondere die mittlere Schichtdicke verstanden werden soll.
Die genannten Schichtdicken haben sich für die hierin verfolgten Zwecke, insbesondere der Verbesserung des Korrosionsschutzes für das Substrat 2, als ausreichend erwiesen.
Zwischen dem Substrat 2 und der Zinnschicht 9 kann, entsprechend einer hier nicht dargestellten Variante, noch eine Zwischenschicht aus Nickel vorhanden sein. Die Nickelschicht kann beispielsweise vor Abscheiden der Zinnschicht 9 chemisch oder elektrochemisch auf das Substrat 2 aufgebracht werden.
Der Draht 1 gemäß der Konfiguration nach 2 wird nach Aufbringen, insbesondere Abscheiden, aller erforderlichen Schichten, insbesondere der Zinnschicht 9 und der Metallschicht 10, einem Diffusionsglühvorgang unterzogen. Der Diffusionsglühvorgang kann entweder auf Rolle, d. h. im Batch, oder im Durchlauf, insbesondere anschließend an die Beschichtung mit der Metallschicht, durchgeführt werden.
Der Diffusionsglühvorgang wird derart durchgeführt, dass zumindest die Zinnschicht 9 und die Metallschicht 10 auf Temperaturen, insbesondere mittlere Temperaturen, zwischen 100°C und 500°C, bevorzugt zwischen 200°C und 400°C, aufgeheizt werden.
Bei dem Diffusionsglühvorgang diffundieren Metallpartikel 8 der auf der Zinnschicht 9 befindlichen Metallschicht 10 in die Zinnschicht 9, so dass sich die weiter oben genauer beschriebene, von außen nach innen hin abfallende Konzentration der Metallpartikel 8 ergibt. Durch diese heterogene Verteilung der Metallpartikel 8, bei welchen es sich insbesondere um einzelne Metallatome handeln kann, kann insbesondere im Bereich der äußeren Oberfläche eine verbesserte Härte bzw. ein verbesserter Härtegrad als bei reinen Zinnschichten erreicht werden. Durch diese verbesserte Härte der resultierenden Zinnbeschichtung 5 können insbesondere Korrosionsschutz und Abriebfestigkeit verbessert werden.
Zum Diffusionsglühen kann der Draht 1 beispielsweise für eine Zeit zwischen 10 ms und 1200 s auf die jeweils gewünschte Temperatur erhitzt werden. Je nach Anwendungsfall können auch Heizzeiten zwischen 50 ms und 3 s verwendet werden.
Bei dem vorweg beschriebenen Verfahren handelt es sich im Wesentlichen um ein Herstellungsverfahren für den vorgeschlagenen Draht. Aus diesem Herstellungsverfahren lässt sich ohne Weiteres ein, ebenfalls der vorliegenden Erfindung zuzuordnendes, Verfahren zur Härtung einer Zinnschicht auf einem metallischen Substrat 2 ableiten.
Zur Härtung einer bereits auf einem Substrat, wie beispielsweise dem Substrat 2 des Drahts 1, abgeschiedenen Zinnschicht kann auf die Zinnschicht zunächst, wie oben beschrieben, eine Metallschicht abgeschieden werden. Anschließend können zumindest die beiden Schichten, d. h. der Schichtverbund aus Zinnschicht und Metallschicht, einem Diffusionsglühvorgang unterzogen werden. Nach Abschluss des Diffusionsglühvorgangs weist die aus der Zinnschicht und Metallschicht entstandene Zinnbeschichtung gegenüber der ursprünglichen Zinnschicht eine größere Härte auf.
Insgesamt zeigt sich, dass mit den hierin vorgeschlagenen Verfahren und dem vorgeschlagenen Draht die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe gelöst wird. Insbesondere kann eine gegenüber mechanischen Belastungen beständige, Zinnbeschichtung, insbesondere für Drähte, bereit gestellt werden.
Bezugszeichenliste

1: Draht
2: Substrat
3: Seele
4: Mantelschicht
5: Zinnbeschichtung
6: Basis-Zinnschicht
7: Schichtbereich
8: Metallpartikel
9: Zinnschicht
10: Metallschicht
D1: Dicke

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

ISO 15184 [0012]
DIN EN 13523-4 [0012]

Claims

Verfahren zur Zinnbeschichtung eines metallischen Substrats (2), insbesondere eines Profil- oder Runddrahts (1), mit folgenden Schritten: – Aufbringen einer Zinnschicht (9) auf das Substrat (2); – Aufbringen zumindest einer Metallschicht (10) aus zumindest einem von Zinn verschiedenen Metall; und – Durchführung eines zumindest die Zinnschicht (9) und die Metallschicht (10) umfassenden Diffusionsglühvorgangs.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Zinnschicht (9) in einer Dicke von 1 μm bis 20 μm, vorzugsweise zwischen 1 μm und 8 μm, abgeschieden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Metallschicht (10) in einer Dicke von 10 nm bis 100 nm, vorzugsweise zwischen 40 nm bis 80 nm abgeschieden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei vor Aufbringen der Zinnschicht (9) eine Zwischenschicht aus Nickel auf das Substrat (2) aufgebracht wird, und wobei der Diffusionsglühvorgang zumindest die Zinnschicht (9) und die Metallschicht (10) umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das zumindest eine Metall der Metallschicht (10) ausgewählt ist aus folgender Gruppe: Cobalt, Gold, Nickel, Platin, Silber, Eisen, Rhodium, Kupfer.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Diffusionsglühvorgang derart durchgeführt wird, dass zumindest die Zinnschicht (9) und Metallschicht (10) auf eine Diffusionsglühtemperatur zwischen 100°C und 500°C, bevorzugt zwischen 200 und 400°C, erhitzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei zumindest die Zinnschicht (9) und die Metallschicht (10) beim Diffusionsglühvorgang für eine Dauer zwischen 10 ms und 1200 s, vorzugsweise zwischen 10 ms und 10 s, weiter vorzugsweise zwischen 50 ms und 3 s, erhitzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Substrat (2) im Wesentlichen aus Kupfer, einer Kupferlegierung, Stahl und/oder Aluminium hergestellt ist.
Verfahren zur Härtung einer auf einem Substrat (2), insbesondere einem Profil- oder Runddraht (1), befindlichen Zinnschicht (9), umfassend die folgenden Schritte: – Abscheiden zumindest einer Metallschicht (10) aus zumindest einem von Zinn verschiedenen Metall auf die Zinnschicht (9); und – Durchführung eines zumindest die Zinnschicht (9) und die Metallschicht (10) umfassenden Diffusionsglühvorgangs.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Zinnschicht (9) eine Dicke im Bereich zwischen 1 μm bis 20 μm, vorzugsweise zwischen 1 μm und 8 μm aufweist, und wobei die Metallschicht (10) in einer Dicke von 10 nm bis 100 nm, vorzugsweise zwischen 40 nm bis 80 nm abgeschieden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, wobei das Metall der Metallschicht (10) ausgewählt ist aus folgender Gruppe: Cobalt, Gold, Nickel, Platin, Silber, Eisen, Rhodium, Kupfer.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei der Diffusionsglühvorgang derart durchgeführt wird, dass zumindest die Zinnschicht (9) und Metallschicht (10) auf eine Diffusionsglühtemperatur zwischen 100°C und 500°C, bevorzugt zwischen 200°C und 400°C, erhitzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei zumindest die Zinnschicht (9) und die Metallschicht (10) beim Diffusionsglühvorgang für eine Dauer zwischen 10 ms und 1200 s, vorzugsweise zwischen 10 ms und 10 s, weiter vorzugsweise zwischen 50 ms und 3 s, erhitzt werden.
Draht (1), insbesondere Profildraht oder Runddraht, umfassend eine nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 hergestellte Zinnbeschichtung (5).
Draht (1), insbesondere Profildraht oder Runddraht, mit einer Zinnbeschichtung (5), wobei die Zinnbeschichtung (5) nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13 gehärtet ist.
Draht (1), insbesondere Profildraht oder Runddraht, nach einem der Ansprüche 14 oder 15, mit einem Substrat (2) und einer dem Substrat (2) nachgeschalteten Zinnbeschichtung (5), wobei die Zinnbeschichtung (5) in einem vom Substrat (2) abgewandten Schichtbereich, durch einen Diffusionsglühvorgang einer Zinnschicht (9) und zumindest einer Metallschicht (10) aus zumindest einem von Zinn verschiedenen Metall hervorgerufen, Metallpartikel des Metalls umfasst, wobei die Metallpartikel heterogen verteilt sind und die Konzentration der Metallpartikel im Schichtbereich in einer vom Substrat (2) weglaufenden Richtung zunimmt.
Draht (1) nach Anspruch 16, wobei das Metall der Metallpartikel ausgewählt ist aus folgender Gruppe: Cobalt, Gold, Nickel, Platin, Silber, Eisen, Rhodium, Kupfer.
Draht (1) nach einem der Ansprüche 16 oder 17, wobei das Substrat (2) im Wesentlichen aus Kupfer, einer Kupferlegierung, Stahl und/oder Aluminium hergestellt ist.
Draht (1) nach einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei zwischen Substrat (2) und der Zinnbeschichtung (5) eine Zwischenschicht aus Nickel angeordnet ist.