Wärmebehandlung von flachen Kupferprodukten

Obige Darstellung zeigt die Prozesskette "Walzwerk Kupfer". Der Geschäftsbereich Thermoprozessanlagen setzt hier mit den Bandschwebeöfen an:

Bandschwebeofen

Dünnere Bänder werden vorzugsweise im Durchlauf in einem horizontalen Bandschwebeofen mit Schutzgasatmosphäre geglüht, erfolgt, wobei die Erwärmung durch Hochkonvektion erfolgt.

Über speziell ausgebildete Luftführungs- und Düsensysteme wird das erwärmte Schutzgas auf das Band geblasen, das dabei gleichmäßig erwärmt und getragen wird. Da keine mechanische Berührung des Bandes in den Ofen- und Kühlzonen erfolgt, ist ein Beschädigen der Bandoberfläche ausgeschlossen. Jede Ofenanlage besteht aus mehreren Zonen, wobei die Temperaturen und Ventilatordrehzahlen unabhängig voneinander geregelt werden können.

Die Anordnung und Ausbildung des Düsensystems gewährleistet ein Höchstmaß an Temperaturgleichmäßigkeit über Bandbreite und - Länge und somit gleiche metallurgischen Werte des Bandes in Bezug auf Härte und Korngröße.

Für die unterschiedlichen Glühprozesse sind Ofentemperaturen zwischen 200 und 800°C ausreichend. Öfen für höhere Temperaturen von bis zu 900 °C wurden jedoch auch schon von OTTO JUNKER realisiert und sind im Einsatz.

Für die Auslegung des Ofens sind folgende Parameter von Entscheidender Bedeutung:

  • Legierung
  • Banddicke
  • Bandbreite
  • Glühtemperatur

Je nach Anforderung können Ofensysteme mit einem, zwei oder drei Ofenventilatoren pro Zone angeboten werden.

Ofenprinzip:

Öfen mit drei Ventilatoren pro Zone werden eingesetzt, wenn dickere Bänder bei höheren Temperaturen geglüht werden müssen. Eine Anlage mit diesem von OTTO JUNKER patentierten System wurde kürzlich mit Erfolg in Betrieb genommen Diese Anlage ist für eine Banddicke von 2,0 mm bei einer Ofentemperatur von 850 °C ausgelegt.

Zum Fertigglühen dünner Bänder hat sich der horizontale Bandschwebeofen durchgesetzt. Vertikalöfen sind aus mehreren Gründen hierfür weniger geeignet. Hauptvorteil des Horizontalofens gegenüber dem Vertikalofen besteht darin, dass die Bänder durch die Düsenanordnung stabilisiert werden und ein Verdrehen des Bandes verhindert wird. Des Weiteren wird eine Bildung von Längsfalten ausgeschlossen.

Ein weiterer Vorteil des horizontalen Ofen ist der geringe gleichbleibende Bandzug über die gesamte Bandlänge im Ofen wogegen beim vertikalen Ofen größere Bandspannungen im Turmeinlauf, wo auch die höchste Ofentemperatur ist, vorhanden sind.

Üblicherweise werden Cu-Glühanlagen mit nicht brennbarem Schutzgas von bis zu 4,5 % H² Rest N² betrieben. Neue Legierungen verlangen jedoch höhere Materialtemperaturen als auch höhere Aufheiz- und Abkühlgeschwindigkeiten. In diesen Fällen wird ein höherer Wasserstoffanteil von 25% bis zu 50 % eingesetzt da hiermit höhere Wärmeübergangswerte, Faktor 1,4 bis ca.1,7  gegenüber reinem Stickstoff, erreicht werden. Im Gegenzug nimmt das Tragverhalten jedoch ab, was bei der Ofenauslegung berücksichtigt werden muss. Des Weiteren hat sich der höhere Wasserstoffanteil, insbesondere beim Lösungsglühen von niedrig legierten Hochleistungs-Kupferlegierungen wie Cu Ni Si auch prozesstechnisch als Vorteil erwiesen.

Nach dem Glühen und dem anschließenden Abkühlen des Bandes in den Kühlzonen, gleicher Bauart wie der Ofen, verlässt das Band mit einer Temperatur von <70 °C die Ofenanlage.

Nachbehandlung (Beizen, Bürsten, Passivieren)

Da in einer Banddurchlauf-Glühanlage die Gesamtpalette aller Cu- und Cu-Legierungen behandelt werden soll, empfiehlt es sich die Anlage mit einer Beizeinrichtung auszurüsten. Die Beize ist so konzipiert, dass ein Fahren mit oder ohne beizen möglich ist. Für Kupferlegierungen werden Beizen mit ca. 10-15%iger Schwefelsäure eingesetzt. Im praktischen Betrieb haben sich Flutbeizen mit intensiver Umwälzung, die auch prozesstechnische Vorteile haben, bewährt. Die Behandlungszeiten betragen zwischen 2 und 3 Sekunden.

Im Anschluss an die Beize sind Kaskaden-Spritzkammern zum entfernen der Beizflüssigkeit vom Band mittels Wasser vorgesehen..

Die übliche Anordnung des Finish-Behandlungsteils bestehend aus:

  • Beize
  • Kaskaden Spritzkammern
  • Finish- Bürstmaschinen
  • Heißwasser- Spritzkammer.
  • Passivierung
  • Bandtrocknung

Sowohl in Glühanlagen als auch in separat arbeitenden Entfettungs- und Beizlinien ist die Ausführung der Bürstmaschine von wesentlicher Bedeutung.

Zu Oberflächenbehandlung von Bändern aus Kupfer und Kupferlegierungen wurde eine Bürstmaschine entwickelt, die den höchsten Qualitätsansprüchen gerecht wird und mit allen bekannten Bürstqualitäten ausgerüstet werden kann. 

Die Lagerung der Bürstwellen und Gegendruckwalzen erfolgt beidseitig außerhalb des Bürstmaschinengehäuses in massiven Stahlwangen.

Zur Bandführung ist gegenüber jeder Bürste eine Gegendruckwalze angeordnet, welche sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Richtung verstellt werden kann und somit für jeden Anwendungsfall optimal eingerichtet werden kann. Sowohl die obere als auch die untere Gegendruckwalze kann bis zu 20 mm in den horizontalen Bandlauf eintauchen und bewirken somit eine leichte Umschlingung, was insbesondere bei dünnen Bändern von Vorteil ist und einen planstabilen Bandlauf gewährleistet.

Die Bürstwellen werden mittels Spindelhubgetriebe über ein Wegerfassungssystem zum Band angestellt. Der Anpressdruck wird leistungsgeregelt, wodurch ein gleichbleibender Anpressdruck bei unterschiedlicher Banddicke oder Bürstenverschleiß gewährleistet ist.

Jede Bürstwelle besitzt eine hydraulische Schnelllüfteinrichtung, welche die Bürste beim Durchlauf der Bandverbindungsstelle um ca. 80 mm lüftet und somit den Bürstenverschleiß erheblich reduziert.

Die Antriebe der Bürsten- und Gegendruckwalzen sind auf einem separaten Ständer angeordnet und mittels Gelenkwelle verbunden. Die Antriebsleistung der Bürstwellen wird entsprechend der Bandbreite und des gewählten Bürstenbesatz ausgewählt. Die Drehzahl kann stufenlos zwischen 400 und 1200 U/min. eingestellt werden. Ebenfalls kann die Maschine mit oszillierender Bürstwelle ausgerüstet werden. Die Gegendruckwalzen werden ebenfalls mit frequenzgeregelten Drehstrommotoren angetrieben, welche den Bandgeschwindigkeiten angepasst werden.

Die Konstruktion der Bürstmaschine ist so ausgeführt, dass jede Bürstwelle in weniger als 10 Minuten gewechselt werden kann. Für den Bürstwechsel sind keine Werkzeuge erforderlich, da die Lagerschilde in den Seitenwangen hydraulisch eingespannt sind und für das Lösen der Bürstwelle ein separater Ausstosszylinder vorgesehen ist.

Durch die vielfältigen Einstellmöglichkeiten kann die Bürstmaschine auf jeden Bedarfsfall optimal eingerichtet werden und somit ein hervorragendes Bürstergebnis gewährleistet werden.

Hier nochmals die wesendlichsten Konstruktionsmerkmale

  • beidseitige Lagerung
  • keine Schwingungen der Bürstwellen
  • Bürstendrehzahl stufenlos einstellbar
  • kürzeste Bürstenwechselzeit
  • Oszillation mit einstellbarem Hub
  • Maschinenständer unabhängig vom Nassteil
  • Bürstenanstellung regelbar und 100mm lüftbar
  • Antriebe getrennt auf dem Fundament befestigt

Passivierung

In der letzten Behandlungsstufe werden die Bänder passiviert und anschließend getrocknet.

Vor dem passivieren werden die Bänder mittels heißen VE- Wasser nochmals gereinigt. Wobei die Wasserqualität ständig überwacht und ggf. Frischwasser dem Kreislauf zugeführt wird. Durch diese Fahrweise sind gleichbleibende und reproduzierbare Betriebsbedingungen gegeben.

Das Passivieren der Bänder erfolgt in der letzten Spülkammer über beidseitig angeordnete Spritzdüsen mit einer Temperatur von 50-60 C° aufgetragen wird. Das Passivierungsmittel wird ebenfalls im Kreislauf gefahren und im Bypass mittels Filter gereinigt. Als Passivierungsmittel wird überwiegend Benzotriazol mit einer Konzentration von 0,3 % eingesetzt.

Selbstverständlich ist die Anlage so konstruiert, dass ein Betrieb mit oder ohne Passivierungseinrichtung möglich ist.

Verzinnungsanlagen

Bänder für die Elektronikindustrie insbesondere für Steckverbindungen werden üblicherweise mit  einer Reinzinnschicht oder mit Mischzinn überzogen.

Für Schichtdicken von 1µm bis 8 µm werden Feuerverzinnungsanlagen eingesetzt.

Dabei durchläuft das zu beschichtende Band eine Wanne mit flüssigem Zinn. Vor dem Eintauchen in das Verzinnungsbad wird die Bandoberfläche gereinigt und anschließend mit Flußmittel aktiviert.

Im Schmelzbad reagiert die Oberfläche des Bandes mit der Schmelze und bildet dabei eine dünne metallische Reaktionsschicht mit fester Haftung auf dem Band. Die gewünschte Schichtdicke wird dabei nach dem Austritt aus dem Verzinnungsbad mit Hilfe von Abblasdüsen ( Luftmesser ) durch entfernen des überflüssigen Zinns erreicht. Das Messen der Schichtdicke erfolg mit Hilfe des Röntgenfluorenzverfahrens. Die Schichtdicke richtet sich nach den jeweiligen Anforderungen an das verzinnte Band. Wird eine gute Lötbarkeit auch nach längerer Lagerung verlangt, werden größere Schichtdicken benötigt. Wenn ein reiner Korrosionsschutz verlangt wird, können dünnere Schichten aufgebracht werden.

Vor dem Aufhaspeln wird das Band in einer Hochkonvektionskühlzone abgekühlt.

Maschinen zu Banddurchlauf- Glühanlage

Abwickelhaspel

Der Abwickelhaspels hat die Aufgabe, das Band kontinuierlichen abzuwickeln und dabei einen konstanten Bandzug (generatorischer Betrieb) zu erzeugen. Ferner unterstützt der Abwickelhaspel das Einführen des Bandes im Einziehbetrieb (motorischer Betrieb).

Schere

Im Bereich der Bandanlagen werden im wesentlichen zwei Typen von Scheren eingesetzt:

  •  Schopfschere
  • Trommelschere

Beide Typen schneiden das Band quer zur Bandlaufrichtung.

Die Scheren haben im Einlaufteil der Anlage die Aufgabe, nicht maßhaltige Bandanfänge abzuschneiden. Somit ist das Band für die anschließende Verbindung mit dem vorauslaufenden Band präpariert. Diese Aufgabe wird meist durch eine Schopfschere erfüllt.

Im Auslaufbereich dienen die Scheren zum einen dazu, die Bandverbindung zwischen dem vorauslaufenden Band und dem Folgeband herauszuschneiden. Diese ist vergleichbar mit der Situation im Einlaufbereich und wird daher meist von Schopfscheren übernommen.

Je nach Anwendungsfall werden die Scheren aber auch genutzt um bei hohen Anlagengeschwindigkeiten Blechtafeln gleicher Abschittslänge zu schneiden. Für diesen Anwendungsfall sind Trommelscheren prädestiniert.

Richtmaschine

Die Aufgabe der Richtmaschine ist es, den Bandanfang zu richten damit ein problemloser Einziehbetrieb gegeben ist. Diese Maschine kommt meist bei der Produktion von dicken Bändern zum Einsatz.

Heftmaschine

Mit Hilfe der Heftmaschine wird das vorauslaufende Band mit dem Folgeband mechanisch verbunden.

Hierzu werden mit Hilfe von Schneidwerkzeugen Formen in die beiden übereinanderliegenden Bänder geschnitten. Hierdurch verhaken sich die Bänder in einander und können kontinuierlich durch die Anlage gefahren werden.

Schweißmaschine

Mit Hilfe der Schweißmaschine wird das vorauslaufende Band mit dem Folgeband über Schweißverbindungen verbunden.

Die Vorteile der Schweißmaschine sind kürzere Bandverbindungszeiten als bei der Heftmaschine. Weiterhin ist die Bandoberfläche nicht scharfkantig wie bei einer mechanischen Heftung, so dass die Oberfläche der gummierten Rollen in der Anlage geschont wird.

Die Schweißmaschine wird für die Verbindung von dünneren Bänder eingesetzt.

S-Walze

Die Aufgabe einer S-Walze ist es das Band in der Anlage mit der gewünschten Geschwindigkeit zu transportieren und den Bandzug innerhalb der Anlage auf bzw. abzubauen.

Hierzu wird das Band um angetriebene gummierte Rollen geführt. Über den Umschlingungswinkel und dem Reibfaktor ergibt sich eine Kraftkomponente, die den Transport des Bandes  gewährleistet.

Bandvorratsturm

Damit eine Anlage auch bei Bundwechsel kontinuierlich arbeiten kann sind sowohl ablaufseitig als auch aufwickelseitig  Bandvorratstürme installiert. Ablaufseitig dient der Turm als Vorratsspeicher, an der Aufwickelseite als Bandpuffer  beim Stillstand der Haspeln. Das Speichervolumen ist für ca. 2 Minuten bei max. Bandgeschwindigkeit ausgelegt.

Entfettungseinrichtung

siehe entfetten

Bandschwebeofen

siehe separaten Text.

Beize, Bürstmaschine und Passivierung

siehe Nachbehandlung

Aufwickelhaspel

Der Aufwickelhaspel hat die Aufgabe, das in der Anlage behandelte Band kantengeraden entweder auf einer spreizbaren Welle oder aber auf Spulen aufzuwickeln. Einem definierten und konstanten Bandzug kommt dabei eine große Bedeutung bei. Für ein automatisches anwickeln dünner Bänder ist ein Gurtumschlinger vorgesehen.

Verfahren:

  • Entfetten
  • Glühen
  • Nachbehandeln
  • Verzinnen

Entfetten

Gewalzte Bänder sind mit Walzöl oder Emulsion behaftet, welche vor dem Glühen entfernt werden müssen.

Am weitesten verbreitet ist das Entfetten mit wässrigen alkalischen Reinigern bei Temperaturen von 50 bis 70 °C. Es werden handelsübliche Reinigungsmittel eingesetzt, deren Inhaltsstoffe nach Werkstoff und Anforderungen kombiniert werden können.

Folgender Anlagenaufbau ist heute als Standard anzusehen:

  1. Spritzentfettung
  2. Bürstentfettung
  3. Kaskaden-Abspritzung
  4. Trockner 

Zwischen jeder Reinigungsstufe werden Abquetschwalzen zur Medientrennung eingesetzt.

Die Kombination zwischen Spritz- und Bürstentfettung ist in den meisten Fällen für die Reinigung und Entfettung des Bandes vor dem Glühprozess ausreichend. Je nach Erfordernissen wird die Bürstmaschine mit harten oder weichen Borsten ausgerüstet. 

Die Lauge der Spritz- und Bürstentfettung wird im Kreislauf gefahren und je nach Notwendigkeit durch geeignete Einrichtungen dabei gereinigt. Die Grobreinigung erfolgt mittels Papierbandfilter im Rücklauf von der Spritzkammer oder Bürstmaschine zum Laugenvorratsbehälter. Für die mit Öl gewalzten Bänder hat sich die Reinigung des Entfettungsbades mittels Separator durchgesetzt. Für die Reinigung der Entfettungsbäder von mit Emulsion gewalzten Bändern ist eine Ultra-Filtration erforderlich. 

Durch eine Kombination mit zusätzlicher elektrolytischen Reinigungsstufe wird ein besseres Entfettungsergebnis erreicht. Insbesondere wird diese Kombination als Bandreinigung in Verzinnungslinien eingesetzt, wobei die Behandlungszeit im elektrolytischen Behandlungsteil mindestens 3 Sekunden betragen sollte.

Im Anschluss an die Entfettungsbäder ist eine Dreifach-Kaskaden-Spritzkammer zum Abspülen der Laugenreste vom Band eingesetzt. In der letzen Spülstufe wird die Wasserqualität mittels Leitfähigkeits- Messeinrichtung geprüft und kontinuierlich eine geringe Menge Frischwasser zugesetzt, wodurch gleichbleibende Betriebsbedingungen gewährleistet sind.  Der Einsatz von VE- Wasser ist unbedingt erforderlich da andernfalls Rückstände auf dem Band verbleiben.

Für das Blankglühen von Bändern aus Kupfer und Kupferlegierungen ist eine ausreichende Reinigung unbedingt erforderlich.

Das Reinigungs- und Entfettungsergebnis wird durch nachfolgend aufgeführten Parameter maßgeblich beeinflusst.

  • Legierung des Eingangsmaterials
  • Verunreinigungen des Eingangsbandes
  • Bandgeschwindigkeit
  • Bürstdruck und Bürstendrehzahl
  • Spritzdruck

Es hat sich herausgestellt, dass Spritzdrücke zwischen 2 und 10 bar ausreichend sind.

Bei Versuchen hat sich gezeigt, dass selbst mit Spritzdrücken von 100 bar ohne Reinigungsmittel kein ausreichendes Entfettungsergebnis ermöglicht ist.