专利名称：制造导线的方法
技术领域：
本发明涉及制造导线的方法，更具体而言，本发明涉及一种采用以下工序制造导线的方法，这制造工序是形成金属薄片，然后将薄片切割成一股或更多股导线，接着将这些股线加工成具有要求的横截面形状和尺寸的导线。本发明特别适用于制造铜导线。
背景技术：
制造铜导线的常规方法包括以下工序。使电解铜(不论是电解精的、电解沉积的，还是二者)熔化，铸成棒状，再热轧成条状。接着使铜条通过拉丝模进行冷加工，在拉长导线的同时有规则地减小其直径。在一典型作业中，铜条制造商将电解铜溶液铸成铜棒，其横截面基本上呈带圆角的梯形，而其横截面面积约为7平方英寸；使这铜棒经过预加工阶段，以修整棱角，然后通过12台滚轧机，当其从滚轧机输出时便形成直径为0.3125”的铜条。接着使铜条通过标准圆拉丝模使其尺寸减小到要求的导线尺寸。典型地讲，这些缩径是在一系列机器加工中发生的，包括最后的退火工序，在某些情况下，为了软化已加工的导线，包括有几道中间退火工序。
常规的铜导线生产方法消耗大量的能量，并要求大量的劳动力和投资费用。熔化，铸造和热轧作业会使产品遭到氧化和受到外来物质诸如难熔物质和滚轧物质的潜在污染，它随后会使导线拉拔机发生问题，就是通常会在拉制过程中出现导线裂纹形式的问题。
凭借本发明的方法，与现有技术相比，能以简单而又低成本的方法生产金属导线。在一种实施方案中，本发明的方法利用来源于诸如铜粒、氧化铜或回收铜之类的铜；本方法不要求采用现有技术的各道工序，即产首先制造阴极铜，然后熔化、铸造和热轧这阴极，以提供铜条原料。
发明概述本发明涉及一种制造金属导线的方法，包括(A)形成金属薄片；(B)切割上述薄片，形成至少一股导线；和(C)将上述股线加工成具有要求的横截面积形状和尺寸的股线。本方法特别适用于制造铜导线，尤其是具有极细或超细直径的铜导线，例如，直径约为0.0002英寸～约0.02英寸的铜导线。
附图简述在这些附图中，相同的零件和部件用相同的参考编号标示。
图1是说明本发明的一种实施方案的流程图，其中铜被电淀积在一个垂直定向的阴极上以形成铜的薄片，在薄片上划线切割，然后以铜股线的形式从阴极上取下，接着再将这铜导线加工成形为具有要求的横截面形状和尺寸的铜导线。
图2是说明本发明的另一种实施方案的流程图，其中铜被电淀积在水平定向的阴极上以形成铜的薄片，然后从阴极上取下薄片，切割成一股或多股铜导线，接着将这些铜股线加工成具有要求的横截面形状和尺寸的铜导线。
图3～20阐明了按照本发明制造的导线的横截面形状。
优选实施方案的描述按照本发明的方法制造的导线可以用能初始形成金属薄片的任何金属或金属合金制造。这类金属的实例包括铜、金、银、锡、铬、锌、镍、铂、钯、铁、铝、钢、铅、黄铜、青铜及上述金属的合金。这类合金的实例包括铜/锌、铜/银、铜/锡/锌、铜/磷、铬/钼、镍/铬、镍/磷等，尤其优选的是铜和铜基合金。
采用二种技术之一制造金属薄片。采用诸如滚压的机械方法来减小金属带材或锭料的厚度，从而产生出锻压或轧制的金属薄片。电淀积薄片的生产方法是，通过电解方法使金属淀积在阴极圆筒上，然后将淀积金属带从阴极上剥离下来。
金属薄片具有的公称厚度为约0.0002英寸～约0.02英寸，而在一种实施方案中为约0.004英寸～约0.014英寸。铜薄片的厚度有时用重量来表达，本发明的薄片具有的典型重量或厚度约为1/8～约14盎司/英尺2。实用的铜薄片是那些具有约3～10盎司/英尺2薄片。尤其优选由电淀积形成的铜薄片。
在一种实施方案中，电淀积形成的铜薄片是在一个配备有阴极和阳极的电淀积槽中生产的。阴极可以垂直或水平放置，并呈圆形芯棒形状。阳极靠近着阴极，并具有与阴极曲线形状相符的弯曲形状，以便在阳极和阴极之间形成均匀的间隙。这阳极和阴极之间的间隙通常有约0.3～约2厘米的宽度。在一种实施方案中，阳极是不溶物，是由铅、铅合金、或镀有铂系金属的(亦即Pt、Pd、Ir、Ru)的钛或其氧化物制成。阴极具有光滑的表面，以便于接收电淀积铜，并且，在一种实施方案中，这表面是由不锈铜、镀铬不锈钢或钛制成。
在一种实施方案中，电淀积铜薄片形成在水平放置的旋转的圆柱形阴极上，然后在阴极旋转时使其剥离下来成一薄片。将这铜薄片切割成一股或多股铜导线，然后将这些铜股线加工成具有要求的横截面形状和尺寸。
在一种实施方案中，铜薄片被电淀积在垂直放置的阴极上，形成围绕阴极的一层薄的圆柱形铜皮。在这圆柱形铜皮上划线切割形成一根细的铜导线，从阴极上剥下这铜导线，然后再加工成具有要求的横截面形状和尺寸。
在一种实施方案中，铜电解液在阳极和阴极之间的间隙中流动，同时电流用来在阳极和阴极间加一有效电压值，以便使铜淀积在阴极上。这电流可以是直流电或带有直流偏压的交流电。电解液通过阳极和阴极之间的间隙的流动速度通常约为0.2～约5米/秒，而在一种实施方案中为约1～约3米/秒。电解液具有游离硫酸浓度通常约为70～约170克/升，而在一种实施方案中约为80～约120克/升。电解液在电淀积槽中的温度通常约为25℃～约100℃，而在一种实施方案中约为40℃～约70℃。铜离子浓度通常约为40～约150克/升，而在一种实施方案中约为70～约130克/升，又在一种实施方案中约为90～约110克/升。氯化物游离离子浓度通常高达约300ppm，而在一种实施方案中高达约150ppm，又在一种方案中高达约100ppm。在一种实施方案中，氯化物游离离子浓度高达约20ppm，而在一种实施方案中高达约10ppm，又在一种实施方案中高达约5ppm，又在一种实施方案中高达约2ppm，而又在一种实施方案中高达约1ppm。在一种实施方案中，氯化物游离离子浓度约低于0.5ppm，或约低于0.2ppm，或约低于0.1ppm，而在一种实施方案中，它为零或基本为零。杂质的含量通常在不大于约20克/升的水平上，而典型的情况是不大于约10克/升。电流密度通常约为50～约3000安培/英尺2，而在一种实施方案中约为400～约1800安培/英尺2。
在一种实施方案中，铜是利用垂直放置的旋转阴极来进行电淀积的，该阴极以切向速线高达约400米/秒旋转，而在一种实施方案中约为10～约175米/秒，又在一种实施方案中约为50～约75米/秒，而又在一种实施方案中约为60～约70米/秒。在一种实施方案中，电解液在垂直放置的阴极和阳极之间以约0.1～约10米/秒的速度向上流动，而在一种实施方案中约为1～约4米/秒，又在一种实施方案中约为2～约3米/秒。
在铜电解淀积过程中，电解液可任选包含一种或多种含活性硫物质。术语“含活性硫物质”指的就是通常称为含二价硫原子的物质，这二个键直接与碳原子连接，同时一个或更多个氮原子还直接和碳原子连接。在这组化合物中，这双键在某些情况下可以存在于硫或氮原子与碳原子之间或交错。硫脲是一种实用的含活性硫物质。含有如下晶核的硫脲和含这组S＝C＝N的异硫代氰酸盐都是有用的。烯丙基硫脲和氨基硫脲也都是有用的。含活性硫物质在电解液中应是可溶的并与其它组分相容。在电淀积过程中，电解液里的含活性硫物质的浓度，在一种实施方案中优选高达约20ppm，和约0.1～约15ppm。
铜电解液也可任选包含一种或多种明胶。此处有用的明胶都是来源于骨胶原的水溶性蛋白质的多相混合物。动物胶是一种优选的明胶，因为它相对地便宜，市场上买得到并便于使用，明胶在电解液中的浓度通常高达约20ppm，而在一种实施方案中高达约10ppm，又在一种实施方案中约为0.2～约10ppm。
铜电解液中还可任选包含用于控制电淀积薄片特性的在本领域中熟知的其它添加剂。这类实例包括邻硫酰苯酰亚胺、咖啡碱、糖浆、瓜耳树胶、阿拉伯胶、聚亚烷基二醇(例如聚乙二醇、聚丙二醇、聚异丙二醇，等)、二磺苏糖醇、氨基酸(例如脯氨酸、羟基脯氨酸、胱氨酸，等)、丙烯酰胺、硫代丙基二硫化物、四乙基秋兰姆二硫化物、苄基氯化物、表氯醇、氯代羟基丙基磺酸盐、亚烷基氧化物(例如环氧乙烷、环氧丙烷等)、锍烷基磺酸盐、硫代氨甲酰二硫化物、硒酸、或其二种或多种的混合物。在一种实施方案中，使用的这些添加剂的浓度高达约20ppm，而在一种实施方案中高达约10ppm。
在一种实施方案中，在铜电解液中及没有任何有机添加剂。
在铜电淀积过程中，更喜欢将外加电流密度(I)对扩散有限电流密度(IL)之比值保持在高达约0.4的水平上，而在一种实施方案中高达约0.3。这就是I/IL优选约0.4或更小，而在一种实施方案中约为0.3或更小。外加的电流密度(I)是每单位电极表面面积上施加的安培数。扩散有限电流密度(IL)是铜沉积的最大速率。最大沉积速率受限于铜离子扩散到阴极表面能有多快，以便用上述沉积数取代那些所消耗的，它可按下式计算IL＝nFDC°/δ(l-t)
以上公式中采用的术语和它们的单位定义如下符号 说明 单位I 电流密度 安培/cm2IL扩散有限电流密度 安培/cm2n 当量电荷 当量/克分子F 法拉第常数96487(安培)(秒)/当量C°铜离子本体浓度克分子/cm3D 扩散系数 cm2/秒δ 浓度边界层厚度cmt 铜迁移数 无量纲边界层厚度δ是粘度、扩散系数、和流动速度的函数。在一种实施方案中，以下值参数在生产电淀积铜薄片时是有用的参数 数值I(A/cm2)1.0n(eq/克分子) 2D(cm2/s)3.5×10-5C°(克分子/cm3，Cu+2(以CuSO4))1.49×10-3温度(℃) 60游离硫酸(g/l)90运动粘度(cm2/s) 0.0159流动速率(cm/s) 200在一种实施方案中，采用旋转阴极，当其旋转时铜薄片从阴极上剥落下来。采用一道或几道切割工序将薄片切割成具有横截面为近似矩形形状的许多股铜线或铜带。在一种实施方案中，采用二道连续切削工序。在一种实施方案中，薄片具有的厚度约为0.001～约0.050英寸，或约为0.004～约0.010英寸。薄片被切割成具有约为0.25～约1英寸、或约为0.3～约0.7英寸宽、或约0.5英寸宽的多股铜线。然后这些股铜线被切成宽度为薄片厚度的约1～约3倍，而在一种实施方案中宽度对厚度之比约为1.5∶1～约2∶1。在一种实施方案中，6盎司的薄片被切成具有横截面约为0.008×0.250英寸的单股铜线，然后切割成横截面约为0.008×0.012英寸。然后将这股铜线滚轧或拉制到具有要求的横截面开头和尺寸的单股铜线。
在一种实施方案中，铜被电淀积在呈圆形芯棒形状的旋转阴极上，直至阴极上铜的厚度约为0.005～0.050英寸、或约为0.010～约0.030英寸、或约0.020英寸为止。于是中止电淀积并冲洗铜的表面和使其干燥。采用划线切割器将铜片切割成为单股细铜线，然后使其从阴极剥离。当阴极旋转时，使划线切割器沿阴极长度方向移动。划线切割器优选将铜片切至离阴极表面约不超过0.001英寸。这样切割的铜股线宽度，在一实施方案中，约为0.005～约0.050英寸，或约为0.010～约0.030英寸，或约为0.020英寸。在一种实施方案中，铜线具有正方形或基本为正方形的横截面，尺寸为约0.005×0.005英寸～约0.050×0.050英寸，或约为0.010×0.010～约0.030×0.030英寸，或约为0.020×0.020英寸。然后滚轧或拉制铜股线使其形成具有要求的横截面形状和尺寸。
通常，按照本发明制造的金属导线能具有按习惯可得到的任何形状的横截面。这些包括图3～20上所示的横截面形状。所涉及的形状有圆形横截面(图3)、方形(图5和图7)、矩形(图4)、扁平形(图8)、肋板形(图18)、轨道状(图6)、多边形(图13～16)、十字形(图9、11、12和19)、星形(图10)、半圆形(图17)、椭圆形(图20)等。这些形状的棱边可以是成尖角的(例如图4、5、13～16)或成圆角的(例如图6～9、11和12)。这些导线能用一台或一系列的互成直角的四辊轮拉丝机将其加工成要求的形状和尺寸。它们的横截面的直径或主尺寸可以约为0.0002～约0.02英寸，而在一种实施方案中约为0.001～约0.01英寸，又在一种实施方案中约为0.001～约0.005英寸。
在一种实施方案中，对这些股金属导线采用一台或一系列的互成直角的四辊轮成形拉丝机进行滚轧，其中在每台成形拉丝机上使这些股导线拉过二对刚性对置的成形滚轮。在一种实施方案中，在这些滚轮上开有槽，用来生产带圆角的形状(例如矩形，方形等)。可以采用动力来驱动互成直角的四辊轮拉丝机中的滚轮。这互成直角的四辊轮拉丝机的速度约为100～约5000英尺/分钟，而在一种实施方案中约为300～约1500英尺/分钟，又在一种实施方案中约为600英尺/分钟。
在一种实施方案中，这些股导线经受连续三台成直角的四辊轮拉丝机的加工，使具有矩形横截面的单根导线变成具有正方形横截面的导线。在第一台中，将这些股导线从横截面0.005×0.010英寸滚轧成横截面为0.0052×0.0088英寸。在第二台中，将这些股导线从横截面0.0052×0.0088英寸滚轧到至横截面为0.0054×0.0070英寸。在第三台中，将这些股导线从横截面0.0054×0.0070英寸滚轧至横截面0.0056×0.0056英寸。
在一种实施方案中，这些股导线经受连续二台成直角的四辊轮拉丝机的加工。在第一台中，这些股导线从横截面0.008×0.010英寸滚轧至横截面0.0087×0.0093英寸。在第二台中，将这些股导线从横截面0.0087×0.0093英寸滚轧至横截面0.0090×0.0090英寸。
这些股导线可以用熟知的化学的、机械的或电抛光的方法进行清洗。在一种实施方案中，从铜薄片上切割下来的或是划线切割并从阴极上剥离下来的这些股铜导线，在将它们送进到互成直角的四辊轮拉丝机加工成另外的形状之前，采用上述化学的、电抛光的或机械的方法对它们进行清洗。化学清洗可以采用使导线通硝酸或热(例如约25℃～70℃)硫酸的浸蚀槽或酸洗槽的方法来完成。电抛光可以使用电流和硫酸来完成。机械清洗可以采用刷子等将毛刺和类似的不光滑部件从导线表面刷去。在一种实施方案中，利用氢氧化的溶液对导线进行表面去油，进行冲洗、漂洗、利用热(例如约35℃)硫酸进行酸洗、利用硫酸进行电抛光、漂洗和干燥处理。
在一种实施方案中，按照本发明制造的这些金属股线具有相对短的长度(例如约为500～约5000英尺，而在一种实施方案中约为1000～约3000英尺，而在一种实施方案中约为2000英尺)，采用熟知的技术(例如对头焊接)将这些股导线与其它同样生产的那些股导线焊接，便生产出具有相对地较长长度的多股导线(例如长度约超过100 000英尺，或约超过200 000英尺，直至约1000 000英尺或更长)。
在一种实施方案中，按照本发明制造的这些股线通过拉丝模拉制成具有圆形横截面的导线。拉丝模可以是一种异形(例如正方形、椭圆形、矩形等)到圆形的孔型拉丝模，输入其中的单股导线沿着一条平面轨迹在拉伸锥体段与拉丝模接触，然后沿一条平面轨迹从拉丝模中输出。在一种实施方案中，拉丝模的内角约为8°、12°、16°、24°、或在本领域中熟知的其它度数。在一种实施方案中，在进行拉拔以前，这些股线要经清洗和焊接(按上面所述的)。在一种实施方案中，具有正方形横截面0.0056×0.0056英寸的单股导线通过单孔型拉丝模被拉制成具有圆形横截面的导线，这横截面的直径为0.0056英寸(AWG35)。然后这导线可以通过几台补充的拉丝模进一步拉制来减小其直径。
按照本发明的方法生产的拉制金属导线，尤其是铜导线，在一种实施方案中，它具有圆形横截面，其直径约为0.0002～约0.02英寸，而在一种实施方案中约为0.001～约0.01英寸，又在一种实施方案中约为0.001～约0.005英寸。
在一种实施方案中，金属导线涂有以下一种或多种涂层(1)铅，或铅合金(80Pb-20Sn)ASTM B189(2)镍 ASTM B355(3)银 ASTM B298(4)锡 ASTM B33涂覆这些镀层是为了(a)保持可焊接性，用于架空电线的各种应用，(b)在金属与诸如橡皮之类的绝缘材料之间形成一道阻挡层，绝缘材料将与金属起作用并粘附其上(因而使得难以从导线上剥下绝缘层，从而避免电气连接)或(c)防止金属在高温使用过程中氧化。
锡-铅合金涂层和纯锡涂层都是最普通的；镍和银则用于特制品和各种高温用途。
金属导线采用在金属溶液槽中热浸的方法、电镀的方法或包复的方法进行涂覆。在一种实施方案中，采用流水作业；这容许在导线拉制作业之后“在线”涂覆。
多胶绞合线可以通过将几股导线绞合或编织在一起形成柔性电缆的方法生产。适用于特定载流容量的各种不同的柔性度，可以通过改变各股导线的数量、尺寸和排列的方法来实现。实心导线、同心股线，绳绞股线、束状股线能增加柔性度；在最后三类中，较多数量的较细的导线能形成大的柔性。
多股绞合线和电缆能在称为“搓捻机”或“捻股机”的机器上制造。普通的搓捻机用于绞合细直径的导线(34 AWG至10 AWG)。各股导线从放置在这设备旁边的绕线盘上放出，并经过绕卷线盘转动的锭翼臂(flyer arm)进料以绞合导线，相对卷线速度的锭翼臂旋转速度控制着搓成束状的长度。对于细小的、轻便的、柔性电缆，各股导线通常都是30～40AWG，并在每根电缆中可能有多达30000股导线。
内装多至10个放线筒的管式搓捻机可以使用。导线由每个放线筒放出，同时导线保持在水平面中，放出的导线沿管状筒穿过，并依靠这筒的旋转作用使其与其它导线绞合在一起。在卷线装置末端，绞合线经过收口夹头形成终端聚束结构。成品绞合线绕在一个盘上，该盘也是在该机器内。
在一种实施方案中，导线涂以绝缘层或包以护套。可以使用的绝缘材料或护套材料有三种类型。这些类型是聚合物类、瓷漆、和油纸。
在一种实施方案中，采用的聚合物是聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯、乙丙橡胶(EPR)、硅酮橡胶、聚四氟乙烯(PTFE)、和氟化乙丙烯(FEP)。聚酰胺涂层用在耐火性是最重要的场合，诸如用在载人宇宙飞行器的成行导线上。天然橡胶可以使用。合成橡胶可以用在任何必须保持良好柔性的地方，例如用在焊接电缆或矿山电缆上。
许多种类的PVC都是有用的。这些种类中包括若干种抗燃的。PVC具有良好的绝缘强度和柔性，且特别实用，因为它是最便宜的常规的绝缘和护套用材料。它主要用于通讯电缆、控制电缆、建筑用电线和低压电源电缆。PVC绝缘材料一般选来用于要求在低温直至约75℃下连续作业的场合。
聚乙烯由于其低的和稳定的介电常数在对要求较好的电气特性时是有用的。它耐磨和抗溶剂。它主要用于架空电线，通讯电线和高压电缆。通过添加有机过氧化物于聚乙烯中然后硫化这混合物的方法制出的交联聚乙烯(XLPE)，能产生较好的耐热性、较好的机加工性能、较好的老化特性和免除环境引起的应力裂纹。专门的配料能在交联聚乙烯中提供耐燃性。常见的最大承受工作温度约为90℃。
PTFE和FEP是用于绝缘喷气式航空器用导线、电子设备用导线和特殊产品用控制电缆，在这些场合中耐热性、耐溶剂和高可靠性是重要的。这些电气电缆能在温度直至约250℃下工作。
这些聚合化合物能用挤压的方法将其涂覆在导线上。挤压机是那种能将丸状或粉末状热塑聚合物转变成连续护套的机器。这绝缘化合物被装入漏斗，然后将其注入一个长的加热容器中。一根连续旋转的螺杆将上述丸状粒推至高温区，在那儿聚合物软化并变成流体。在容器末端处，已熔化合物被压出经一小的模具涂在移动的导线上，这导线也穿过这模具的开孔。包复了EPR和XLPE的导线在冷却以前优选通过硫化来完成交联作业。
涂覆薄膜的导线，经常为细磁性导线，它通常包含一根涂有一层薄的柔性瓷漆膜层和铜导线。这些绝缘了的铜导线用作电气装置中的电磁线圈，且必须能够耐高击穿电压。湿度额定值约为105℃～约220℃，取决于瓷漆的组成。有用的瓷漆以聚乙烯醇缩醛、聚酯、和环氧树脂为基础。
用于瓷漆涂包导线的设备被设计成能同时绝缘大量的导线。在一种实施方案中，使导线通过瓷漆涂敷机，它将受控厚度的液态瓷漆涂覆在导线上。然后这导线穿过一组加热炉用以固化涂层，接着将成品导线绕在卷线筒上。为了制成厚的瓷漆涂层，可能必须使导线通过这系统若干次。粉末涂覆方法也是有用的。这些方法要避免溶剂逸出，这是固化常规瓷漆所特有的，这样能够使制造商满足OSHA和EPA标准成为较容易了，静电喷雾器、流化床等能用于涂覆上述粉末涂料。
现参阅带插图的实施方案，先参阅图1，公开了一种制造铜导线的方法，其中铜被电淀积在阴极上形成一层围绕阴极的薄的圆柱形铜皮；然后这圆柱形铜皮被划线切割成一根细的铜导线，使其剥离阴极，接着将其加工成具有要求的横截面形状和尺寸的导线(例如具有横截面直径约为0.0002～约0.02英寸的圆形横截面)。该方法采用的设备包括电沉积槽10，此槽包括容器12、垂直放置的圆柱形阳极14和垂直放置的圆柱形阴极16。容器12包含电解液18。这设备包括的还有划线切割器20，互成直角的四辊轮成形拉丝机22，拉丝机模24和卷线盘26。阴极16用虚线表示，阴极浸没在容器12内的电解液18中；此外还表明将其从容器12中移至靠近划线切断器20。当阴极16在容器12中时，阳极14和阴极16是同轴安置且阴极16位于阳极14的中间。阴极16以切线速度直至约400米/秒旋转，而在一种实施方案中约为10～约175米/秒，又在一种实施方案中约为50～约75米/秒，而又在一种实施方案中约为60～约70米/秒。电解液18在阴极16和阳极14之间以约0.1～约10米/秒的速度向上流动，在一种实施方案中流速约为1～4米/秒，又在一种实施方案中约为2～3米/秒。
在阳极14和阴极16之间施加电压来完成使铜淀积有阴极上。在一种实施方案中，采用的电流是直流电，而在一种实施方案中它是带有直流偏压的交流电。在电解液18中的铜离子获得位于阴极16的圆周表面上的电子，据此使金属铜沉积下来以圆柱形铜皮形式围绕在阴极16的表面17上。电淀积在阴极上的铜连续进行直至铜皮28的厚度达到要求的量级，例如，约0.005～约0.050英寸。于是电淀积作用中止。将阴极16从容器12中取出。对铜皮28进行冲洗和作干燥处理。然后启动划线切割器20；将铜皮28切成一根细的股线30。当阴极16通过支承和传动元件34绕其中心轴旋转时，划线切割器20顺着螺杆32移动。旋转刀片25切割铜皮28，深度在阴极16的表面17的约0.001英寸之内。具有矩形横断面的导线股36被剥离阴极16，导线股被送进通过互成直角的四辊轮拉丝机22，在其中滚压后使导线股的横截面形状转变成正方形。然后导线被拉过拉丝模24，使横截面转变成圆形横截面。接着将导线绕在卷线盘26上。
本方法消耗含有铜离子和有机添加剂的电解液18。这些组分需连续地加以补充。电解液18经管线40从容器12中排出，并经过滤池42，煮解器44和过滤池46再循环，然后经管线48再输入容器12中。硫酸由容器50经管线52送进至煮解器44。铜由铜源54沿管路56进入煮解器44。在一种实施方案中，输入煮解器44的铜的形式是铜粒、废铜导线、氧化铜或回收铜。在煮解器44中，铜被硫酸和空气所溶解，从而形成铜离子的溶液。
有机添加剂从容器58经管线60被添加到管线40中的再循环溶液里。在一种实施方案中，含活性硫物质从容器64经管线62添加到管线48中的再循环液中。这些有机添加剂的速率，在一种实施方案中，其范围高达约14mg/min/kA，而在一种实施方案中约为0.2～约6mg/min/kA，又在一种实施方案中约为1.5～约2.5mg/min/kA。在一种实施方案中，没有加有机添加剂。
公开于图2中的实施方案是与公开于图1的实施方案相同，只是图1中的电沉积槽10被图2中的电沉积槽110所代替；容器12被容器112所代替；圆柱形阳极14被弧形阳极114所代替；垂直放置的圆柱形阴极16被水平放置的圆柱形阴极116所代替；和划线切割器20，螺杆32及支承和传动元件34被滚轮118和切条机120所代替。
在电沉积槽110中，电压施加在阳极114和阴极116之间，以实现使铜电淀积在阴极上。在一种实施方案中，采用的电流是直流电，而在一种实施方案中使用的是带直流偏压的交流电。电解液18中的铜离子在阴极116的圆周表面上获得电子，据此使金属铜沉积出来，在表面117上形成一层铜薄片。阴极116绕其轴旋转，同时将这层薄片从阴极表面117上拉下成一连续的铜条122。电解液以公开于图1上的实施方案所述的同样方法得以循环和补充。
铜薄片122被剥离阴极116并从滚轮118的上方经过后再通过切条机120，它在其中被切成许多股具有横截面为矩形或基本上为矩形形状的连续铜导线。在一种实施方案中，铜薄片122以连续作业的方式送进至切条机120。在一种实施方案中，铜薄片被剥离阴极116，以卷状形式储存，随后送进通过切条机。这些矩形股线124从切断器120送进通过互成直角的四辊轮拉丝机22，使它们在其中被滚轧成具有正方形横截面的股线126，然后这些股线126被拉过拉丝模24，它们在其中被拉制成具有圆形横截面的铜导线128。铜导线128被绕在卷线盘26上。
现提供以下实例用来说明本发明。
实例1具有重量为6盎司/英尺2的电淀积铜薄片是在使用含有铜离子浓度为50克/升和硫酸浓度为80克/升的电解液的电沉积槽中制造的。氯化物游离离子的浓度为零，且无有机添加剂添加在电解液中。薄片被切割，然后送经互成直角的四辊轮拉丝机被拉过拉丝模形成铜导线。
实例2具有宽度84″英寸、厚度0.008″英寸和长度600英尺的电淀积铜薄片被收集在滚筒上。使用一组切条机将薄片以原先的宽度84″切小到成0.25″宽的铜条。第一台切条机使薄片宽度从84″切成24″，第二台则从24″切成2″，而第三台则从2″切成0.25″英寸。这些铜条被切成0.012″宽的铜条。这些铜条、或切断的狭长铜导线，具有的横截面为0.008×0.012″。使铜导线作好进行金属加工整形和成形作业的准备。这包括表面除油、冲洗、漂洗、酸洗、电抛光、漂洗和干燥。将这些单股导线焊接起来并绕在卷线盘上以便放线作进一步加工。对这些股导线进行清洗和去毛刺。利用滚轧和拉丝模的组合将它们加工整形成圆形横截面。第一步使用一台小型动力互成直角的四辊轮成形拉丝机将侧向尺寸0.012″减小到约为0.010～0.011″。下一步是通过第二台互成直角的四辊拉丝机使这尺寸在其中被进一步压缩到约为0.008～0.010″，此时横截面的轮廓成正方形。相对上面引述的尺寸，这二步都是压缩，此时横向尺寸(垂直于压缩方向的横截面方向上的尺寸)增加，同时导线长度增加。每次辊轧的同时边缘被圆整。接着使导线通过拉丝模使其在其中被弄圆和拉长，导线此时具有的直径为0.00795″，AWG32。
本发明的优点在于，当采用电淀积方法生产金属薄片尤其是铜薄片时，利用这类薄片制造的导线的特性基本上可以通过电解液的组合物加以控制。例如，不含有机添加剂，而含有的氯化物游离离子浓度低于1ppm，而在一种实施方案中为零或基本上为零的电解液，特别适用于生产超细铜导线(例如，AWG25～约AWG60，和在一种实施方案中为AWG55)。
尽管只相对其优选的实施方案阐述本发明，但不用说，对那些本领域的技术人员来说，在阅读了本说明书之后，对其的各种改进将变得明显了。所以，应理解，公开于此的本发明是包括这类改进的，它们属于所附权利要求范围内的。
权利要求
1.一种制造金属导线的方法，包括(A)形成金属薄片；(B)切割所述薄片成至少一股导线；和(C)将所述股线成形为具有要求的横截面形状和尺寸的所述股线。
2.权利要求1的方法，其中所述金属选自铜、金、银、锡、铬、锌、镍、铂、钯、铁、铝、钢、铅、黄铜、青铜、或一种或一种以上上述金属的合金。
3.权利要求1的方法，其中所述金属是选自铜/锌、铜/银、铜/锡/锌、铜/磷、铬/钼、镍/铬、和镍/磷合金。
4.权利要求1的方法，其中所述的金属是铜或铜基合金。
5.权利要求1的方法，其中所述的金属薄片是电淀积形成的铜薄片。
6.权利要求1的方法，其中所述的金属薄片是轧制的铜薄片。
7.权利要求1的方法，其含有在实施工序(C)之前清洗来自工序(B)的所述股线的工序。
8.权利要求5的方法，其中所述薄片在是包含有阳极和阴极的电沉积槽中形成的，所述阴极是水平放置的。
9.权利要求5的方法，其中所述薄片是在包含有阳极和阴极的电沉积槽中形成的，所述的阴极是垂直放置的。
10.权利要求5的方法，其中所述薄片是在电沉积槽中在实施工序(A)的过程中在阴极上形成的，而所述切割工序(B)包括同时在所述阴极上划线切割所述薄片，以形成所述股线并从所述阴极上取下所述股线。
11.权利要求10的方法，其中在实施工序(B)以前，将所述阴极从电沉积槽中取出。
12.权利要求5的方法，其中所述成形工序(A)包括使电解液在阳极和阴极之间流动，并在所述的阳极和阴极之间施加一有效电压值，以使铜薄片淀积在所述阴极上。
13.权利要求12的方法，其中所述电解液含有的氯化物游离离子的浓度最高可达约5ppm。
14.权利要求12的方法，其中所述电解液含有的氯化物游离离子的浓度最高达约1ppm。
15.权利要求12的方法，其中所述电解液含有的氯化物游离离子的浓度为零。
16.权利要求12的方法，其中所述电解液不含有机添加剂。
17.权利要求12的方法，其中所述电解液达包含至少一种有机添加剂。
18.权利要求17的方法，其中所述有机添加剂是一种明胶或活性含硫物质。
19.权利要求17的方法，其中所述有机添加剂选自邻磺酰苯甲酰亚胺、咖啡碱、糖浆、瓜耳树胶、阿拉伯胶、聚乙二醇、聚丙二醇、聚异丙二醇、二硫苏糖醇、脯氨酸、羟基脯氨酸、胱氨酸、丙烯酰胺、硫代丙基二硫化物、四乙基秋兰姆二硫化物、苄基氯、表氯醇、氯代羟基丙基磺酸盐、环氧乙烷、环氧丙烷、烷基磺酸锍盐、硫代氨甲酰二硫化物、硒酸等组成的类。
20.权利要求12的方法，其中所述电解液含有的铜离子浓度为约40～约150克/升，游离硫酸浓度为约70～约170克/升，而氯化物离子浓度高达约5ppm。
21.权利要求12的方法，其中在实施工序(A)的过程中的电流密度约为50～3000安培/英尺2。
22.权利要求12的方法，其中电解液在所述的阳极和阴极之间的流动速度为约0.2～约5米/秒。
23.权利要求12的，其中在实施工序(A)的过程中I/IL高达约0.4。
24.权利要求1的方法，其中所述导线具有圆形横截面形状。
25.权利要求1的方法，其中所述导线具有正方形或矩形横截面形状。
26.权利要求1的方法，其中所述导线具有的横截面形状呈十字形、星形、半圆形、多边形、轨道形、椭圆形、扁平形、或肋板形形状。
27.权利要求1的方法，其中所述导线具有的横截面形状呈基本上如图3～20上所示的任何一种形状。
28.一种制造铜导线的方法，包括(A)形成铜薄片；(B)切割所述薄片以形成至少一股铜导线；和(C)将所述铜股线成形，以形成具有要求的横截面形状和尺寸的股线。
29.一种制造铜导线的方法，包括(A)使电解液在置于电沉积槽中的阳极和阴极之间流动，并在所述阳极和阴极之间施加一有效电压值，以使铜淀积在所述阴极上，所述电解液的特征在于游离氯化物离子的浓度最高达约5ppm；(B)划线切割所述铜，以形成铜股线并从所述阴极上取下所述铜股线；和(C)加工所述铜股线以形成具有要求的横截面形状和尺寸的铜导线。
30.一种制造铜导线的方法，包括(A)使电解液在置于电沉积槽中的阳极和阴极之间流动，并在所述阳极和阴极之间施加一有效电压值，以使铜薄片淀积在所述阴极上，所述电解液的特征在于氯化物游离离子的浓度最高达约5ppm；(B)将所述铜薄片从所述阴极上取下；(C)切割所述铜薄片以形成至少一股铜导线；和(D)加工所述铜股线以形成具有要求的横截面形状和尺寸的铜导线。
全文摘要
本发明涉及制造金属导线的方法,它包括:(A)形成金属薄片;(B)切割所述薄片以形成至少一股金属导线;和(C)加工所述单股导线以形成具有要求的横截面形状和尺寸的所述单股金属导线。本方法特别适用于制造铜导线,尤其是具有极细直径(例如约0.0002～约0.02英寸)的铜导线。
文档编号B21C37/00GK1193359SQ96194847
公开日1998年9月16日 申请日期1996年11月12日 优先权日1996年4月18日
发明者R·J·菲多尔, P·佩克哈姆, S·K·杨, M·A·伊蒙, R·N·赖特, S·J·科胡特, C·J·哈色加瓦, S·S·爱诺斯, R·D·德维特 申请人:电铜产品有限公司