1. Einleitung
Bei der Übertragung hochfrequenter Signale in Kommunikationskabeln tritt der Skin-Effekt auf. Mit steigender Frequenz des übertragenen Signals verstärkt sich dieser Effekt. Der sogenannte Skin-Effekt beschreibt die Übertragung von Signalen entlang der Außenfläche des Innenleiters und der Innenfläche des Außenleiters eines Koaxialkabels, wenn die Frequenz des übertragenen Signals mehrere Kilohertz oder Zehntausend Hertz erreicht.
Insbesondere angesichts des rasanten Anstiegs des internationalen Kupferpreises und der zunehmenden Verknappung natürlicher Kupfervorkommen ist die Verwendung von kupferplattiertem Stahl oder kupferplattiertem Aluminiumdraht als Ersatz für Kupferleiter zu einer wichtigen Aufgabe für die Draht- und Kabelindustrie geworden, aber auch zu einer wichtigen Aufgabe für deren Förderung durch die Nutzung eines großen Marktpotenzials.
Die Kupferplattierung von Drähten kann aufgrund von Vorbehandlungen, wie der Vorvernickelung und anderen Prozessen, sowie der Einwirkung der Galvanisierungslösung zu folgenden Problemen und Defekten führen: Schwarzfärbung des Drahtes, mangelhafte Vorvernickelung und Ablösung der Hauptplattierungsschicht. Dies führt zu Draht- und Materialverlusten und damit zu höheren Herstellungskosten. Daher ist die Sicherstellung einer hohen Beschichtungsqualität von entscheidender Bedeutung. Dieser Artikel behandelt die Prozessprinzipien und -verfahren der Herstellung von kupferplattierten Stahldrähten durch Galvanisierung sowie die häufigsten Ursachen von Qualitätsproblemen und deren Behebung. 1. Der Galvanisierungsprozess von kupferplattierten Stahldrähten und seine Ursachen
1.1 Vorbehandlung des Drahtes
Zunächst wird der Draht in eine alkalische Beizlösung getaucht. Anschließend wird eine bestimmte Spannung an den Draht (Anode) und die Platte (Kathode) angelegt, wodurch sich an der Anode eine große Menge Sauerstoff abscheidet. Die Hauptfunktionen dieser Gase sind: Erstens bewirken die auf der Oberfläche des Stahldrahts und des umgebenden Elektrolyten entstehenden Blasen eine mechanische Bewegung und einen Ablöseeffekt. Dadurch wird das Öl von der Oberfläche des Stahldrahts abgelöst und die Verseifung und Emulgierung von Öl und Fett beschleunigt. Zweitens lagern sich aufgrund der winzigen Bläschen an der Grenzfläche zwischen Metall und Lösung große Mengen Öl an den Stahldraht an und gelangen so an die Oberfläche der Lösung. Dadurch wird die Ölentfernung gefördert und gleichzeitig die Wasserstoffversprödung der Anode verringert, sodass eine gute Beschichtung erzielt werden kann.
1.2 Plattieren des Drahtes
Zunächst wird der Draht vorbehandelt und mit Nickel vorplattiert, indem er in die Plattierungslösung eingetaucht und eine bestimmte Spannung an den Draht (Kathode) und die Kupferplatte (Anode) angelegt wird. An der Anode verliert die Kupferplatte Elektronen und bildet freie zweiwertige Kupferionen im Elektrolytbad (Plattierungsbad).
Cu – 2e→Cu2+
An der Kathode wird der Stahldraht elektrolytisch reelektronisiert, und die zweiwertigen Kupferionen lagern sich auf dem Draht ab, wodurch ein kupferplattierter Stahldraht entsteht:
Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu
Cu2 + + e→ Cu +
Cu + + e→ Cu
2H + + 2e→ H2
Bei unzureichender Säuremenge in der Galvanisierungslösung hydrolysiert Kupfer(I)-sulfat leicht zu Kupfer(I)-oxid. Das Kupfer(I)-oxid lagert sich in der Galvanisierungsschicht ab und führt zu deren Lockerung. Cu₂SO₄ + H₂O → [Cu₂O + H₂SO₄]
I. Hauptkomponenten
Optische Außenkabel bestehen im Allgemeinen aus blanken Fasern, einem Bündeladerkabel, wasserabweisenden Materialien, Verstärkungselementen und einem Außenmantel. Sie sind in verschiedenen Ausführungen erhältlich, z. B. als Zentralrohrkabel, als mehrlagige Verseilung oder als Skelettkabel.
Als blanke Glasfasern bezeichnet man optische Fasern mit einem Durchmesser von 250 Mikrometern. Sie bestehen typischerweise aus Kernschicht, Mantelschicht und Beschichtung. Verschiedene Arten blanker Glasfasern weisen unterschiedliche Kernschichtdurchmesser auf. Beispielsweise haben Singlemode-OS2-Fasern in der Regel einen Durchmesser von 9 Mikrometern, während Multimode-OM2/OM3/OM4/OM5-Fasern 50 Mikrometer und Multimode-OM1-Fasern 62,5 Mikrometer aufweisen. Blanke Glasfasern werden häufig farblich gekennzeichnet, um verschiedene Kernfasern zu unterscheiden.
Lose Faserrohre bestehen üblicherweise aus dem hochfesten technischen Kunststoff PBT und dienen der Aufnahme der blanken Fasern. Sie bieten Schutz und sind mit einem wasserabweisenden Gel gefüllt, um das Eindringen von Wasser und damit verbundene Faserschäden zu verhindern. Das Gel wirkt zudem als Puffer gegen Beschädigungen der Fasern durch Stöße. Der Herstellungsprozess der Losefaserrohre ist entscheidend, um die erforderliche Faserlänge zu gewährleisten.
Zu den wasserabweisenden Materialien gehören Kabelfett, wasserabweisendes Garn oder wasserabweisendes Pulver. Um die Wasserabweisung des Kabels weiter zu verbessern, wird üblicherweise wasserabweisendes Fett verwendet.
Verstärkungselemente gibt es in metallischer und nichtmetallischer Ausführung. Metallische Elemente bestehen häufig aus phosphatierten Stahldrähten, Aluminiumbändern oder Stahlbändern. Nichtmetallische Elemente werden hauptsächlich aus Faserverbundwerkstoffen (FVK) hergestellt. Unabhängig vom verwendeten Material müssen diese Elemente die erforderliche mechanische Festigkeit aufweisen, um die Normen zu erfüllen, einschließlich der Beständigkeit gegen Zug, Biegung, Schlag und Torsion.
Die Außenhülle muss den Einsatzbedingungen, einschließlich Wasserdichtigkeit, UV-Beständigkeit und Witterungsbeständigkeit, Rechnung tragen. Daher wird häufig schwarzes PE-Material verwendet, da seine hervorragenden physikalischen und chemischen Eigenschaften die Eignung für die Außeninstallation gewährleisten.
2 Ursachen von Qualitätsproblemen beim Kupferplattierungsprozess und deren Lösungen
2.1 Einfluss der Drahtvorbehandlung auf die Beschichtung Die Drahtvorbehandlung ist bei der Herstellung von kupferplattiertem Stahldraht durch Galvanisierung von entscheidender Bedeutung. Wird der Öl- und Oxidfilm auf der Drahtoberfläche nicht vollständig entfernt, haftet die Nickelvorbehandlung nicht optimal und die Haftung ist mangelhaft, was letztendlich zum Ablösen der Hauptkupferschicht führt. Daher ist es wichtig, die Konzentration der alkalischen und Beizflüssigkeiten, den Beiz- und Alkalistrom sowie die Funktion der Pumpen zu überwachen und gegebenenfalls umgehend zu reparieren. Die häufigsten Qualitätsprobleme bei der Drahtvorbehandlung und deren Lösungen sind in Tabelle 1 dargestellt.
2.2 Die Stabilität der Vorvernickelungslösung bestimmt unmittelbar die Qualität der Vorplattierungsschicht und spielt eine wichtige Rolle im nachfolgenden Schritt der Kupferplattierung. Daher ist es wichtig, das Zusammensetzungsverhältnis der Vorvernickelungslösung regelmäßig zu analysieren und anzupassen sowie sicherzustellen, dass die Lösung sauber und frei von Verunreinigungen ist.
2.3 Einfluss der Hauptgalvanisierungslösung auf die Galvanisierungsschicht: Die Galvanisierungslösung enthält Kupfersulfat und Schwefelsäure als zwei Komponenten. Das Mischungsverhältnis bestimmt direkt die Qualität der Galvanisierungsschicht. Ist die Kupfersulfatkonzentration zu hoch, fallen Kupfersulfatkristalle aus; ist sie zu niedrig, versengt sich der Draht leicht, was die Galvanisierungseffizienz beeinträchtigt. Schwefelsäure verbessert die elektrische Leitfähigkeit und Stromausbeute der Galvanisierungslösung, reduziert die Konzentration von Kupferionen (Gleichioneneffekt) und verbessert so die kathodische Polarisation und die Dispersion der Lösung. Dadurch erhöht sich die Stromdichtegrenze. Gleichzeitig wird die Hydrolyse von Kupfer(I)-sulfat zu Kupfer(I)-oxid und dessen Ausfällung verhindert, was die Stabilität der Galvanisierungslösung erhöht. Zudem wird die anodische Polarisation reduziert, was die normale Auflösung der Anode begünstigt. Es ist jedoch zu beachten, dass ein hoher Schwefelsäuregehalt die Löslichkeit von Kupfersulfat verringert. Bei unzureichendem Schwefelsäuregehalt in der Galvanisierungslösung hydrolysiert Kupfersulfat leicht zu Kupfer(I)-oxid und lagert sich in der Galvanisierungsschicht ab, wodurch diese dunkel und uneben wird. Bei einem Überschuss an Schwefelsäure in der Galvanisierungslösung und gleichzeitig unzureichendem Kupfersalzgehalt wird Wasserstoff teilweise an der Kathode entladen, was zu einer fleckigen Oberfläche der Galvanisierungsschicht führt. Auch der Phosphorgehalt der Kupferplatten hat einen wichtigen Einfluss auf die Beschichtungsqualität. Er sollte im Bereich von 0,04 % bis 0,07 % liegen. Bei einem Gehalt unter 0,02 % ist die Filmbildung erschwert, wodurch die Bildung von Kupferionen und somit die Menge an Kupferpulver in der Galvanisierungslösung erhöht wird. Bei einem Phosphorgehalt von über 0,1 % wird die Auflösung der Kupferanode beeinträchtigt, wodurch der Gehalt an zweiwertigen Kupferionen in der Galvanisierungslösung sinkt und sich viel Anodenschlamm bildet. Um zu verhindern, dass der Anodenschlamm die Galvanisierungslösung verunreinigt und zu Rauheit und Graten in der Galvanisierungsschicht führt, sollte die Kupferplatte regelmäßig gespült werden.
3. Schlussfolgerung
Durch die Berücksichtigung der oben genannten Aspekte werden eine gute Haftung und Kontinuität des Produkts, eine stabile Qualität und eine ausgezeichnete Leistung erzielt. Im tatsächlichen Produktionsprozess beeinflussen jedoch zahlreiche Faktoren die Qualität der Beschichtung. Sobald ein Problem auftritt, muss es umgehend analysiert und untersucht werden, und es müssen geeignete Maßnahmen zu dessen Behebung ergriffen werden.
Veröffentlichungsdatum: 14. Juni 2022