KR100773180B1 - 가동 접점용 은피복 스테인레스강 스트립 및 그 제조방법 - Google Patents

가동 접점용 은피복 스테인레스강 스트립 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

스테인레스강 기재의 표면의 적어도 일부에 니켈, 코발트, 니켈합금, 코발트 합금 중의 어느 하나를 함유하는 하층을 구비하고, 그 상층으로서 형성된 은 또는 은합금층을 가지며, 상기 은 또는 은합금층과 하층의 중간에 두께가 0.05 내지 2.0㎛의 동 또는 동합금층이 제공되는 가동 접점용 은피복 스테인레스강 스트립, 및 상기 스트립을 비산화성 분위기중에서 열처리를 실시하는 상기한 은피복 스테인레스강 스트립의 제조방법.

Description

가동 접점용 은피복 스테인레스강 스트립 및 그 제조방법{SILVER-COATED STAINLESS STEEL STRIP FOR MOVABLE CONTACTS AND METHOD OF PRODUCING THE SAME}
본 발명은, 동작수명이 뛰어난 전기 접점재료(material for electric contact)에 관한 것으로, 더 자세하게는, 가동 접점(movable contact)에 사용되는 접점 수명이 긴 은피복 스테인레스강 스트립(silver-coated stainless steel strip)에 관한 것이다.
커넥터, 스위치, 단자 등의 전기 접점부에는 주로 접시 스프링 접점(disk spring contact), 브러시 접점(brush contact) 및 클립 접점(clip contact)이 이용되고 있다. 이들 접점에는, 동합금이나 스테인레스강 등의 비교적 싸고, 내식성, 기계적 성질 등이 뛰어난 기재(substrate)에, 전기특성과 납땜성이 뛰어난 은을 피복한 복합 접점재료가 다용되고 있다.
상기 복합 접점재료 중, 기재에 스테인레스강을 이용한 것은, 동합금을 이용한 것보다 기계적 특성, 피로 수명 등에 뛰어나기 때문에 접점의 소형화가 가능하고, 긴 수명의 택타일 푸시 스위치(tactile push switch)나 검출 스위치 등의 가동 접점에 사용되고 있다. 근래에는, 휴대전화의 푸시 버튼에 자주 이용되고 있고, 메일 기능이나 인터넷 기능의 다양화에 의해서, 스위치의 동작 회수가 급격히 증가 하고 있다.
그러나, 은을 피복한 스테인레스강은, 동합금에 피복한 것에 비해 스위치의 소형화를 할 수 있고, 또한 동작 회수를 증가시키는 것이 가능하지만, 스위치의 접점 압력이 커져, 은의 마모에 의한 수명의 저하가 문제가 되고 있다.
은 또는 은합금을 피복한 스테인레스 스트립으로서, 기재에 니켈 도금을 실시한 것이 자주 이용되고 있다. 하지만, 이것을 스위치에 이용하는 경우, 스위치의 동작 회수가 증가하는 것에 의해서, 접점부의 은이 마모에 의해서 깎이고, 기재의 니켈 도금층이 노출되어 접촉 저항이 상승하여, 도통이 취하지 않게 되는 불편(failure ascribed to mal-continuity)이 표면화하고 있다. 특히, 작은 지름의 돔형 가동 접점(dome-shaped movable contact)에서는, 이 현상이 일어나기 쉽고, 점점 더 소형화하는 스위치에는 큰 기술 과제가 되고 있다.
이 문제를 해결하기 위해서, 니켈 도금층의 위에 파라듐 도금을 실시하고, 그 위에 금도금을 실시한 것이 있다. 그러나, 파라듐은 도전성에 뒤떨어지기 때문에, 접점의 전기저항이 상승한다고 하는 문제가 발생하였다.
이 때문에, 도전성을 향상시키는 목적으로 스테인레스에 니켈 도금, 동도금, 니켈도금, 금도금을 순서대로 실시한 것이 있다. 그러나, 니켈 도금 자체는 내식성이 뛰어나지만 딱딱하기 때문에 구부림가공시에 상층(upper layer)에 크랙이 발생하기 때문에, 하층(underlying layer)이 노출되어 버려 내식성이 열화하는 문제가 발생하였다.
본 발명의 상기 및 다른 특징 및 이점은, 첨부된 도면과 함께 고려함으로써, 아래와 같은 기재로부터 보다 분명해질 것이다.
본 발명에 의하면, 이하의 수단이 제공된다:
(1) 스테인레스강 기재의 표면의 적어도 일부에 니켈, 코발트, 니켈합금, 코발트 합금 중 어느 하나를 포함하는 하층을 가지며, 상층에 은 또는 은합금층을 가지고, 상기 은 또는 은합금층과 하층의 사이에 두께 0.05㎛∼2.0㎛의 동 또는 동합금층이 제공되는 것을 특징으로 하는 가동 접점용 은피복 스테인레스 스트립;
(2) 상기 은 또는 은합금층과 동 또는 동합금층 사이에, 은- 동 합금층이 형성되는 것을 특징으로 하는 상기 (1)항에 따른 가동 접점용 은피복 스테인레스 스트립; 및,
(3) 스테인레스강 기재의 표면의 적어도 일부에 니켈, 코발트, 니켈합금, 코발트 합금 중 어느 하나의 하층을 형성하는 단계; 동 또는 동합금의 중간층을 형성하는 단계; 은 또는 은합금을 피복하는 단계; 및 비산화성 분위기중에서 열처리를 실시하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가동 접점용 은피복 스테인레스 스트립의 제조방법.
본 발명자들은, 상기 종래법에 있어서의 문제점을 해결하기 위해 예의 연구한 결과, 종래의 은피복 스테인레스강을 택타일 푸시 스위치에 사용했을 경우, 연속 동작 회수의 증가에 수반하여, 스위치에 발열이 발생하고, 또한, 도금 피막에는 반복의 전단응력이 가해지는 것에 의해서, 은층의 밀착력이 저하하고 박리나 깎임이 일어나기 쉬워져, 결과적으로 산화한 하층이 노출되어 접촉저항이 상승하는 것을 밝혀내어, 본 발명에 이르렀다.
이하, 본 발명의 가동 접점용 은피복 스테인레스 스트립과 그 제조방법에 대해서, 바람직한 실시형태에 대해서, 상세하게 설명한다.
본 발명은, 스테인레스강 기재의 표면의 적어도 일부에 니켈, 코발트, 니켈합금 또는 코발트합금의 하층이 형성되고, 그리고 동 또는 동합금의 중간층 및 상층으로서 은 또는 은합금층을 형성한 것을 특징으로 하는 가동 접점용 재료에 관한 것이다. 상술한 바와 같은 접점 재료를 사용함으로써, 스위치의 동작 회수가 증가해도 접촉저항은 거의 증가하지 않는다.
본 발명에 대해서는, 스테인레스강 기재는 가동 접점에 이용했을 때, 그 기계적 강도를 담당하는 것이므로, 스테인레스강 기재로서는 응력 완화특성이 뛰어나 피로 파괴하기 어려운 SUS301, SUS304 및 SUS316 등의 텐션 어닐재(tension anneal material) 또는 압연조질재(tempar rolling material)가 이용된다.
상기 스테인레스강 기재 위에 형성되는 하층은, 스테인레스강과 동 또는 동합금층과의 밀착성을 높이기 위해서 배치하고, 동 또는 동합금의 중간층은, 하층과 은 또는 은합금층의 밀착성을 높일 수 있다.
하층을 형성하는 금속은, 공지와 같이 니켈, 코발트, 니켈합금, 코발트합금 중 어느 하나가 선택되지만, 니켈이 바람직하다. 이 하층은, 스테인레스 기재를 음극으로 하고, 예를 들면 염화니켈 및 유리염산(free hydrochloric acid)을 포함하는 전해액을 이용하여 전해하는 것에 의해, 도금 두께를 0.05∼2.0㎛로 하는 것이 바람직하다.(비록, 이하에서, 하층의 금속으로서 니켈을 예로 설명하지만, 상기 금속은 니켈에 한정하는 것이 아니고, 코발트, 니켈합금 및 코발트합금의 경우도 마찬가지이다.)
종래의 은 또는 은합금층의 밀착력 저하의 원인은, 하층의 산화와 큰 반복 전단응력에 의한 것으로, 그 대책으로서 하층을 산화시키지 않는 것, 전단응력이 가해져도 밀착성이 열화되지 않는 재료의 개발이 필요하였다.
본 발명에서는, 하층을 산화시키지 않는 수단으로서도, 동 또는 동합금으로 이루어지는 중간층을 배치하고 있다. 산화는 은층 내의 산소의 투과에 의한 것이다. 동 또는 동합금의 배치에 의해서, 은과 동의 합금층이 형성되면, 그 은-동합금층이나 산소의 투과를 억제하여, 밀착성의 저하를 방지하는 역할을 다한다.
또한, 전단응력에 대한 저항은, 인접하는 2개의 층(은과 동, 동과 니켈) 사이에 고용체를 형성하기 위한 조합으로 개선된다. 은안에의 니켈의 고용농도는 극미량이기 때문에, 종래의 Ag층-Ni층 사이에서 전단응력에 대한 파단강도가 약한 것이었다. 발명자들은 예의 연구한 결과, 은과 니켈의 사이에 동층을 실시함으로써, 은과 동의 계면에 합금이 형성하여, 전단강도가 향상하는 것을 발견하였다.
본 발명에 있어서, 하층, 동 또는 동합금층, 은 또는 은합금층의 각 층은, 전기도금법, 무전해도금법, 물리·화학적 증착법 등 임의의 방법에 의해 형성할 수 있지만, 전기도금법이 생산성과 비용의 면에서 가장 유리하다. 상기 각 층은, 스테인레스강 기재의 전면에 형성해도 좋지만, 접점부에만 그 층을 형성하는 것이 경제적이다.
또한, 밀착강도를 향상시키기 위해서, 비산화성 분위기 중에서 가열처리를 실시하면, 은의 확산이 촉진되어 전단응력에 대한 강도가 향상된다. 이것은 은과 동의 합금층이 두꺼워지기 때문이다. 그러나, 너무나 가열처리를 계속하면 표층의 은이 전부 합금화하게 되어, 접촉안정성이 열화한다. 또한, 은-동합금층이 두꺼워지면 도전성이 저하한다. 은-동합금층의 두께는 0.1㎛ 이하가 바람직하다. 그 하한은 특별히 제한은 없지만, 통상 0.01㎛ 이상이다. 또한, 가열조건은 1분에서 5시간 동안 200∼400℃이 바람직하다.
비산화성의 분위기가스로서는, 수소, 헬륨, 아르곤 또는 질소를 사용할 수 있지만, 아르곤이 바람직하다.
또한, 은 또는 은합금 피복층의 두께는 0.5∼2.0㎛로 하면, 가열 후에도 표층에 은이 잔존하여, 접촉안정성이 뛰어나다. 은합금으로서는, 은에 안티몬을 0.1∼2.0질량% 첨가하는 것이 내마모성이 향상하여 바람직하다.
동 또는 동합금층의 두께는 0.05∼2.0㎛가 바람직하고, 더 바람직한 범위는 0.1∼1.2㎛이다. 동 또는 동합금으로서는, 한정하는 것은 아니지만, 순동 이외, 주석, 아연, 니켈로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 원소를 1∼10질량% 포함하는 동합금이 바람직하다.
동 또는 은합금층의 두께는, 너무 얇으면 층을 설치한 효과가 적고, 너무 두꺼우면 기재의 가동 접점의 작동력이 저하하기 때문에 바람직하지 않다.
하층을 형성하는 니켈, 코발트로서는, 한정하는 것은 아니다. 그러나, 순니켈 이외, 코발트를 1∼10질량% 포함하는 니켈합금이 바람직하다. 니켈 또는 니켈합금의 하층의 두께는, 너무 얇으면 효과가 적고, 너무 두꺼우면 기재의 가동 접점의 작동력이 저하한다.
본 발명에 있어서, 은피복 스테인레스 스트립의 크기는, 용도에 따라서 달라 특별히 제한되는 것은 아니다. 예를 들면, 상기 스트립은, 스트립 폭 0.03mm∼0.20mm, 스트립 폭 3mm∼50mm의 연속적인 스트립일 수 있다. 상기 스트립의 길이는 특별히 제한은 없고, 예를 들면 연주법으로 제조할 수도 있다.
본 발명의 은피복 스테인레스강 스트립은, 가동 접점용으로서 반복하는 전단응력에 대해서도 도금의 밀착성이 뛰어나, 스위치의 수명이 개선된 것이다. 또한, 본 발명의 은피복 스테인레스 스트립의 제조방법은, 상기 은피복 스테인레스 스트립의 제조로서 적합한 것이다.
도 1은, 타건 시험(keystroke test)에 이용한 스위치의 평면도이다.
도 2a 및 2b는, 타건 시험에 이용한 스위치의 도 1의 A-A선 단면도와 가압상태를 나타내는 도면이고, 도 2a는 스위치 동작 전, 도 2b는 스위치 동작시를 각각 모식적으로 나타낸다.
이하에, 본 발명을 실시예에 기초하여 더욱 상세하게 설명하지만, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다.
SUS301 스트립을 연속적으로 통판하여 감는 도금라인에 있어서, 두께 0.06mm, 스트립 폭 100mm의 SUS301 스트립을 전해 탈지, 수세, 전해 활성화 (electrolytic activation), 수세, 니켈도금(또는 니켈-코발트도금), 수세, 동도 금, 수세, 은스트라이크 도금(silver strike plating), 은도금, 수세, 건조의 각 처리를 실시하였다.
처리조건은 다음과 같다.
1. (전해 탈지 및 전해 활성화)
스테인레스 스트립을 오르소규산소다(sodium orthosilicate) 100g/l의 수용액으로 음극 전해 탈지, 10% 염산으로 산세하여 활성화하였다.
2. (니켈도금)
상기 활성화된 스테인레스강 스트립을 염화니켈 250g/l와 유리염산 50g/l를 함유하는 전해액으로 음극 전류밀도 5A/dm2로 전해하였다.
3. (동도금)
상기 니켈도금된 스테인레스강 스트립을 황산동 150g/l와 유리황산 100g/l를 함유하는 전해액으로 음극 전류밀도 5A/dm2로 전해하였다.
4. (은스트라이크 도금)
상기 동도금된 스테인레스강 스트립을 시안화은 5g/l와 시안화칼륨 50g/l를 함유하는 전해액으로 음극 전류밀도 2A/dm2로 전해하였다.
5. (은도금)
상기 은스트라이크 도금 후의 스테인레스강 스트립을 시안화은 50g/l와 시안화 칼륨 50g/l와 탄산칼륨 30g/l를 함유하는 전해액으로 음극 전류밀도 5A/dm2로 전 해하였다.
여기서, 중간층인 동도금층의 두께는 여러 가지로 변화시켜 표 1에 나타낸 각 가동 접점용 은도금 스테인레스 스트립을 제조하였다. 또한, 실시예 6의 시료에 대해서는, 은도금 후의 건조처리까지 완료한 후에 열처리(아르곤가스 분위기 중에서 250℃×2시간)를 실시하였다.
종래예에서는, 마찬가지로 SUS301 스트립을 통판하여 감는 도금라인에서, 동도금 및 그에 연속되는 수세공정을 생략하였다.
얻어진 이러한 가동 접점용 은도금 스테인레스 스트립을 지름 4mmφ의 돔형 가동 접점으로 가공하고, 고정 접점에는 은을 1㎛ 두께로 도금한 황동 스트립을 이용하여, 도 1, 도 2a 및 도 2b에 나타내는 구조의 스위치로 타건 시험을 실시하였다. 도 1은, 타건 시험에 이용한 스위치의 평면도이다. 또한, 도 2a 및 도 2b는, 타건 시험에 이용한 스위치의 도 1의 A-A선 단면도와 가압을 나타내는 것이다. 도 2a는 스위치 동작 전, 도 2b는 스위치 동작시이다. 도면 중, 1은 은도금 스테인레스의 돔형 가동 접점, 2는 은도금 황동의 고정 접점이다. 상기 가동 접점과 고정 접점들이 수지케이스(4) 내에 수지 충전재(3)로 조립되어 있다. 도면 중의 탈색 화살표는 가압방향을 나타낸다.
타건 시험은, 9.8 N/mm2의 접점 압력, 5Hz의 타건 주파수에서 최대 100만회의 타건(keystroke)을 실시하여 접촉저항의 시간경과에 따른 변화를 측정하였다. 그 결과를 표 1에 나타내었다. 또한, 100만회의 타건 시험을 실시한 후, 가동 접 점부의 상황을 관찰하여, 그 결과도 표에 기록하였다.
본 발명의 가동 접점용 은도금 스테인레스 스트립은, 100만회의 타건 시험을 실시해도 접촉저항의 증가는 극히 작았다. 또한, 100만회 타건 후의 접점부에는 중간층 및 하층의 노출은 볼 수 없었다. 또한, 열처리를 실시한 실시예 6은, 중간층의 두께가 0.05㎛이더라도 접촉저항의 상승은 볼 수 없었다.
동의 중간층의 두께가 0.01㎛인 비교예에서는, 종래예보다 뛰어났지만, 10만회부터 접촉저항이 상승하기 시작하여 100만회에서는 250mΩ에 달하였다. 또한, 그 접점은 조금 하층이 노출되어 있었다.
중간층이 없는 종래예에서는, 10만회에서 접촉저항이 상승하고, 100만회에서는 1000mΩ를 넘었다. 접점부에서의 은이 벗겨져 하층이 대기에 노출하고 있었다.
Figure 112006037784649-pct00001
본 발명의 가동 접점용 은피복 스테인레스 스트립은, 종래의 가동 접점재료에 비해서, 반복 전단응력에 대해서 은피복층의 밀착력이 저하하지 않는다. 그리고, 접촉 안정성, 도전성에도 뛰어나, 가동 접점을 더 장기 수명화·소형화할 수 있다.
본 발명을 그 실시형태와 함께 설명했지만, 우리는 특별히 설명하지 않는 한 우리의 발명을 설명의 어느 세부에 있어서도 한정하려고 하는 것이 아니고, 첨부된 청구의 범위에 나타낸 발명의 사상과 범위에 벗어나는 일 없이 폭넓게 해석되는 것이 당연하다.

Claims (3)

  1. 스테인레스강 기재의 표면의 적어도 일부에 니켈, 코발트, 니켈합금, 코발트 합금 중 어느 하나를 포함하는 하층을 가지며, 상층에 은 또는 은합금층을 가지고, 상기 은 또는 은합금층과 하층의 사이에 두께 0.05㎛∼2.0㎛의 동 또는 동합금층이 제공되는 것을 특징으로 하는 가동 접점용 은피복 스테인레스강 스트립.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 은 또는 은합금층과 동 또는 동합금층 사이에, 은- 동 합금층이 형성되는 것을 특징으로 하는 가동 접점용 은피복 스테인레스강 스트립.
  3. 스테인레스강 기재의 표면의 적어도 일부에 니켈, 코발트, 니켈합금, 코발트 합금 중 어느 하나의 하층을 형성하는 단계;
    동 또는 동합금의 중간층을 형성하는 단계;
    은 또는 은합금을 피복하는 단계; 및
    비산화성 분위기중에서 열처리를 실시하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가동 접점용 은피복 스테인레스강 스트립의 제조방법.
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