KR100874396B1 - 금속 스트립용 재료 - Google Patents

Abstract

wt%로 표시하여, 니켈(Ni) 0.5 ∼ 3.5 %, 규소(Si) 0.08 ∼ 1.0 %, 주석(Sn) 0.1 ∼ 1.0 %, 아연(Zn) 0.1 ∼ 1.0 %, 지르코늄(Zr) 0.005 ∼ 0.2 %, 은(Ag) 0.02 ∼ 0.5 %, 및 용융에 따른 불순물을 비롯한 잔량의 구리를 포함하는 전기 접점 부품의 제조를 위한 금속 스트립용 재료를 개시한다.

Description

금속 스트립용 재료{MATERIAL FOR METAL STRIP}

본 발명은 전기 접점 부품의 제조를 위한 금속 스트립용 재료에 관한 것이다.

플러그 접촉 접속 장치는 전기 공학용으로 널리 보급되어 있다. 기본적으로, 그러한 접속 장치는 도전성 접속을 차단하기 위한 플러그와 플러그 소켓으로 구성된 기계 장치를 의미한다. 플러그 접촉 접속 장치는 예컨대 자동차 전장, 통신 기술, 또는 산업 설비 전자 기기와 같은 다양한 적용 분야에 사용되고 있다.

그러한 유형의 플러그 접촉 요소의 통상적인 제조 방법은 구리 스트립 또는 구리 합금 스트립으로 구성된 원료를 스탬핑 가공하고, 이를 플러그 접촉 요소로 후속 가공하는 것이다. 구리는 전기 전도성이 좋다. 부식 및 마모에 대한 보호와 표면 경도의 향상을 위해, 구리 스트립 또는 구리 합금 스트립은 미리 주석 도금 처리된다. 주석은 내식성이 우수하기 때문에 구리의 피복 재료로서 매우 적합하다. 기술 표준에는 용융 침지법으로 피복 처리하는 것을 들 수 있다.

그와 관련하여, 모재의 표면 피복을 위한 다양한 주석 합금, 특히 주석-은 합금이 알려져 있는데, 왜냐하면 주석-은 합금은 매우 양호한 접점 재료에 속하기 때문이다.

EP 0 443 291 B1에 의해 공지된 플러그 커넥터 쌍의 경우, 한 방향의 플러그 요소의 모재가 순수한 주석 또는 주석-납 합금으로 피복되는 반면, 다른 한 방향의 플러그 요소는 10 wt%까지의 은을 함유한 합금으로 구성되고 용융법으로 피복된 경질 표면 피복을 가진다. 은 이외에도 일련의 또 다른 합금 금속이 제안되어 있다. 그러한 피복물은, 접촉 저항이 일정하게 낮고 삽입력 및 인출력이 가능한 한 낮으며, 품질이 우수한 플러그 커넥터를 제조하는 것을 지향하고 있다.

DE 36 28 783 C2는 0.3 ∼ 2 wt%의 마그네슘 및 0.001 ∼ 0.1 wt%의 인을 함유한 구리 합금으로 이뤄진 전기 커넥터를 개시하고 있다. 이 전기 커넥터는 고온에서 강도, 전기 전도성 및 응력 완화 특성을 보이는 것에 특징이 있다. 그러한 커넥터는 그것이 콤팩트한 크기 및 복잡한 형태로 제조되더라도 만족스러운 사용 특성을 나타낸다.

DE 43 38 769 A1에 의해 공지된 전기 플러그 커넥터 제조용 구리 합금도 역시 선행 기술에 속하는데, 그 구리 합금의 조성은 실질적으로 0.5 ∼ 3 wt%의 니켈, 0.1 ∼ 0.9 wt%의 주석, 0.08 ∼ 0.8 wt%의 규소, 0.1 ∼ 3 wt%의 아연, 0.007 ∼ 0.25 wt%의 철, 0.001 ∼ 0.2 wt%의 인, 0.001 ∼ 0.2 wt%의 마그네슘 및 불가피한 불순물을 비롯한 잔량의 주성분 구리를 포함하여 이루어진다.

전술한 구리 합금제의 공지된 금속 스트립 또는 플러그 커넥터는 실제로 그 효능이 입증된 바 있다. 그러나 기계적 및 전기적 특성과 관련된 접점 부품의 기술 요건 및 품질 요건이 차츰 강화되고 있다. 특히, 이것은 가혹하거나 공격적인 주위 조건 하에서 플러그 커넥터 부품을 사용할 경우, 예컨대 자동차 설비 및 그 중에서도 자동차 전자 기기의 플러그 커넥터에 사용할 경우에 적용된다. 그러한 가혹한 사용 조건 하에서는 다른 무엇보다도 피복의 내열성, 내완화성, 내식성 및 접합 강도와 관련된 요건이 나타날 수 있는데, 공지의 접점 부품은 그러한 요건에서는 한계에 부딪히게 된다. 그러한 경우, 표면 피복의 박리(peeling)가 일어날 수 있다.

본 발명의 목적은 선행 기술에서 출발하여 전기적 및 기계적 특성이 우수하면서도 모재와 피복 사이의 접합을 개선하는, 전기 접점 부품의 제조를 위한 금속 스트립용 재료를 경제적으로 유리하게 제공하는 것이다.

그러한 목적은 본 발명에 따라 청구항 1의 특징에 따라 달성된다.

그에 따르면, 그러한 재료는 니켈 분율이 0.5 ∼ 3.5 wt%이고, 규소 분율이 0.08 ∼ 1.0 wt%이며, 주석 분율이 0.1 ∼ 1.0 wt%이고, 아연 분율이 0.1 ∼ 1.0 wt%이며, 지르코늄 분율이 0.005 ∼ 0.2 wt%이고, 은 분율이 0.02 ∼ 0.5 wt%인 구리 합금으로 구성된다.

이 재료의 주석 분율로 인해 재료의 전도성이 떨어지지만, 그럼으로써 강도 및 인성(toughness)이 증대된다. 전도성의 감소는 은을 추가로 합금함으로써 상쇄된다. 은 분율을 전술된 바와 같이 하는 주된 목적은 매트릭스 성분으로서 온도의 영향을 받고 있는 동안에 금속 스트립의 피복 재료와 함께 확산 과정에 관여하여 의도한 대로 확산 제어된 금속 간 화합물의 상을 형성하도록 영향을 미치는 데에 있다. 따라서, 은 비율은 0.02 ∼ 0.5 wt%로 된다. 분율이 0.005 ∼ 0.2 wt%인 지르코늄은 내식성 및 내열성을 증대시키고 열간 성형성을 향상시킨다.

이러한 재료는 0.15 wt% 미만의 은 함량을 유지하는 것이 바람직하다(청구항 2).

0.5 wt% 미만의 망간 분율은 내열성을 향상시킨다(청구항 3).

분율이 0.2 wt% 미만인 마그네슘(청구항 4)은 합금의 온도가 상승한 경우에도 강도 및 응력 완화 특성을 개선하면서도 주성분인 구리에 기초한 전기 전도성을 약간만 저하시킬 뿐이다. 마그네슘은 구리 매트릭스 중에 고용된다.

청구항 5에 따르면, 특히 0.1 ∼ 5 wt%의 인듐을 첨가하면, 융점은 낮아지지만 외부 조건에 대한 내성이 전반적으로 개선된다. 이 외에도, 납땜 특성에 유리한 영향을 미친다.

청구항 6에 따른 바와 같이 주석과 아연이 약 1:1의 비율로 재료 중에 존재하면, 전도성 손실이 감소되고 피복성이 향상된다. 또한, 시효 경화된 상태에서 경도의 상승이 최대화되는 동시에 연성이 우수해진다.

청구항 7에 기재된 약 1:4의 주석 대 은의 비율은 주석으로 피복된 금속 스트립의 재활용 시에 장점을 발휘한다.

아울러, 은/아연의 비는 0.1 이상인 것이 바람직하다(청구항 8).

또 다른 바람직한 특성은, 청구항 9에 따른 바와 같이 마그네슘과 지르코늄의 합계/주석의 비가 0.01 이상인 경우에 구현된다.

청구항 10에 따른 바와 같이, 재료의 박리 거동은 (니켈 + 규소)/(주석 + 아연 + 은 + 마그네슘)의 비가 1.5 이상, 4 미만인 경우에 현격히 개선된다.

청구항 11에 따른 바와 같이, 본 출원에 개시된 재료를 사용한 금속 스트립은 우선 전기적 및 기계적 특성이 우수하고, 특히 전도성 및 내완화성이 우수하며, 성형성 및 피복의 내박리성이 우수하다는 것에 특징이 있다. 안정된 접촉 전달 저항이 보장된다. 그러한 금속 스트립은 낮은 접촉 저항과 함께 높은 내열성을 보인다. 그 금속 스트립은 높은 경도 때문에 마모 및 마멸에 저항하면서도 양호하게 성형 될 수 있고 양호하게 납땜 될 수 있다. 삽입력 및 인출력이 낮으면서도 마찰 내식성이 개선된다.

또한, 그러한 금속 스트립은 경제적으로도 유리한데, 그것은 제조 시에 주석 분율을 가진 구리 스크랩을 사용할 수 있기 때문이다. 물질 순환 사이클에 있어서 조정된 주석의 양적 관계가 달성된다. 그에 의해, 스크랩을 이용하여 제조된 금속 스트립의 품질이 일정하게 되는 것이 보장될 수 있다. 광택이 있는 스크랩(CuNiSi 재료), 주석 도금된 스크랩, 및 신규 금속(구리)의 사용을 적절히 조절함으로써, 주석 도금된 스크랩의 주석 도금의 두께에 따라 주석 함량이 0.02 ∼ 1 wt%인 모재를 주물품으로서 얻을 수 있다. 주석 함량이 0.25 ∼ 0.5 wt%인 주물품이 공정적으로 바람직하다.

모재와 피복 사이의 금속 간 상은 미세하고 균일하다. 그 결과, 금속 스트립은 성형성, 특히 만곡성이 우수하고, 전단 강도가 높으며, 탄성 계수가 낮을 뿐만 아니라 크리프에 대한 내성이 크다.

합금 성분으로서 아연과 은은 청구항 12에 따라 실시된 주석-은으로 구성된 피복과 모재 사이에 있는 금속간 상의 확산 거동에 영향을 미친다. 구리가 주석 층으로 확산됨으로써 필연적으로 생기는 구리-주석 상(相)은 그 석출에 있어서 특히 이른바 ε상의 형성을 지연 및 방해한다는 의미에서 온도 및 시간에 영향을 받는다. 그에 의해, 모재와 피복 간의 강도가 상당히 우수해지는 것이 보장된다. 그럼으로써, 금속 스트립 또는 그로부터 제조된 플러그 커넥터의 가혹하고 불리한 사용 조건에서도 박리 현상, 특히 피복의 박리가 더 높은 온도 및 더 긴 시간에서 이루어진다.

바로 150℃를 넘는 온도에서 피복의 시효에 따른 유효 결함에 대한 근본적인 원인은 상 형성 시에 η상(Cu₆Sn₅)이 ε상(Cu₃Sn)으로 과비례적이고 신속하게 변태하는 데에 있고, 이 변태는 높은 확산 속도로 인해 모재와 피복 사이의 상 경계에서 개시한다. 이제, 본 발명은 ε상이 존재하더라도 필연적으로 모재와 피복 사이의 경계에서 박리 과정이 진행하는 것은 아니며, 플러그 커넥터가 성형 과정에 의해 생긴 응력 상태에 있는 경우에도 역시 마찬가지라는 인식에 기초한다. ε상의 석출을 억제하거나 방해하는 경우, 이는 피복의 내구성과 금속간 상에 유리하게 작용하게 된다.

아연과 은뿐만 아니라 베이스 재료에 존재하는 니켈은 본 발명에 따라 제시된 분율인 경우에 확산 과정이 진행하여 금속간 상의 형성에 참여하는 동안 특히 상 경계에 집중됨으로써 η상으로부터 ε상으로의 급속한 변태를 억제하거나 현격히 지연시켜 성공적으로 모재와 피복 간을 균일하고 높은 접합력으로 결합시키는 데에 적합하다.

본 발명에 따른 전기 접점 부품의 제조를 위한 금속 스트립용 재료는 전기적 및 기계적 특성이 우수함과 더불어 모재와 피복 간의 접합을 개선한다. 그러한 재료를 사용한 금속 스트립은 우선 전기적 및 기계적 특성이 우수하고, 특히 전도성 및 내완화성이 우수하며, 성형성 및 피복의 내박리성이 우수하다는 특징이 있다. 안정된 접촉 저항이 보장된다. 또한, 그러한 금속 스트립은 낮은 접촉 저항과 함께 높은 내열성을 보이고, 높은 경도 때문에 마모 및 마멸에 저항하면서도 양호하게 성형 될 수 있고 양호하게 납땜 될 수 있다. 삽입력 및 인출력이 낮으면서도 마찰 내식성이 개선된다.

Claims (12)

1. 전기 접점 부품의 제조를 위한 금속 스트립용 재료로서

   wt%로 표시하여,

   니켈(Ni) 0.5 ∼ 3.5 %

   규소(Si) 0.08 ∼ 1.0 %

   주석(Sn) 0.1 ∼ 1.0 %

   아연(Zn) 0.1 ∼ 1.0 %

   지르코늄(Zr) 0.005 ∼ 0.2 %

   은(Ag) 0.02 ∼ 0.5 %

   및 용융 가공에 기인한 불순물을 비롯한 잔량의 구리를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 스트립용 재료.
2. 제1항에 있어서, 분율이 0.15 % 미만인 은(Ag)을 함유하는 것을 특징으로 하는 금속 스트립용 재료.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 분율이 0.0% 초과 0.5 % 미만인 망간(Mn)을 함유하는 것을 특징으로 하는 금속 스트립용 재료.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 분율이 0.0% 초과 0.2 % 미만인 마그네슘(Mg)을 함유하는 것을 특징으로 하는 금속 스트립용 재료.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 분율이 0.1 ∼ 5 %인 인듐을 함유하는 것을 특징으로 하는 금속 스트립용 재료.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 약 1:1인 비율로 주석과 아연을 함유하는 것을 특징으로 하는 금속 스트립용 재료.
7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 약 1:4인 비율로 주석과 은을 함유하는 것을 특징으로 하는 금속 스트립용 재료.
8. 제1항 또는 제2항에 있어서, Ag/Zn의 비가 0.1 이상인 것을 특징으로 하는 금속 스트립용 재료.
9. 제4항에 있어서, (Mg + Zr)/Sn의 비가 0.01 이상인 것을 특징으로 하는 금속 스트립용 재료.
10. 제4항에 있어서, (Ni + Si)/(Sn + Zn + Ag + Mg)의 비가 1.5 이상, 4 미만인 것을 특징으로 하는 금속 스트립용 재료.
11. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 금속 스트립용 재료는 피복된 도전성 금속 스트립에 사용되고, 상기 금속 스트립은 자동차 구조물에 사용될 수 있는 플러그 커넥터의 전기 접점 부품을 제조하는 데에 사용되는 것을 특징으로 하는 금속 스트립용 재료.
12. 제11항에 있어서, 주석-은 합금으로 피복된 금속 스트립에 사용되는 것을 특징으로 하는 금속 스트립용 재료.