KR100902201B1 - 전기접속기구용 구리합금 - Google Patents

Abstract

Cr을 0.1∼1mass%, Zn을 0.1∼5.0mass%, Sn을 0.1∼2.0mass%포함해, 잔부가 불가피 불순물 및, Cu로 이루어지는 인장강도(TS)가 600㎫ 이상, 0.2% 내력(YS)이 560㎫ 이상, 도전율(EC)이 40% IACS 이상, 또한, 0.2% 내력(YS)의 80%를 부하한 응력 부식 시험(SCC)에 있어서, 파단시간이 500시간 이상의 전기접속기구용 구리합금.

Description

전기접속기구용 구리합금{COPPER ALLOY FOR ELECTRICAL CONNECTING DEVICE}

본 발명은 배선 접속 기구용 구리합금에 관한 것이다.

전기접속기구는 전기기구의 콘센트나 조명의 스위치 등 전기적인 접속부에 넓게 이용되고 있다. 상기 접속부에는 금속이 일반적으로 이용되고 있고, 금속끼리가 접촉함으로써 전기적인 접속을 실시한다. 그 전기적인 접속부는 2종류가 있다. 하나는, 전기가 공급되는 전선(구리선)과의 접속이며, 또 하나는, 그 전기를 공급하는 상대방과의 접속이다. 종래는, 상기 접속부에는 도전성이 우수한 순동(純銅) 또는 Sn이나 Ag를 미량(≤ 0.2%)으로 첨가하여 내열성을 개선한 구리합금(C14410 등)이 사용되어 왔다.

이러한 재료의 강도는 현저하게 낮다. 그 때문에, 접속부는, 상기에 나타낸 전기를 공급하는 상대방과의 접합을 유지하기 위해서 스테인리스강 등의 고강도 재료를 스프링재로서 사용하여 접합 부분을 보강하는 구조가 되고 있었다. 그러나, 스테인리스강은 고가이고 그것을 대체하는 고강도 구리합금이 요구되게 되었다.

또한, 전기적 접촉부분인 '받침날'과 상기의 '스프링재'를 일체화시켜 저비용화하는 기술의 검토도 진행되고 있고, 구리합금에는 스프링재로서도 기능하는 고강도인 재료가 요구되고 있다.

또한, 배선기구에 있어서는 금속끼리 접촉함으로써 전기적인 접속을 실시한다. 상기 접촉부에서는 종래부터 발열이 문제가 되고 있다. 이것은 접촉부에 미소방전(글로우)을 발생시키고, 이것에 기인하여 아산화구리의 증식이 유발되어 접촉저항이 증가하며, 발열하는 것이 알려져 있다.

따라서, 합금 성분을 재검토함으로써 글로우 및 아산화구리의 증식이 일어나기 어려운 전기접속기구용 구리합금이 제안되고 있다(예를 들면, 일본 특허공개공보 소화60-255944호). 그러나, 이러한 합금은 강도가 약하기 때문에, 스프링재로서는 부적당하였다.

본 발명은, 강도, 도전성, 내응력 완화특성, 내응력 부식특성, 내글로우 특성, 내식성 등이 우수한 구리합금을 제공하는 것을 목적으로 한다.

게다가, 본 발명은, 글로우의 발생 및 아산화구리의 증식을 방지할 수 있고, 전기기구의 콘센트나 조명의 스위치 등의 전기접속기구(배선접속기구)에 적절한 구리합금을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자들은 전기접속기구의 접촉부에 대해서 상세한 검토를 실시하여, 강도, 도전성, 내응력 완화 특성, 내응력 부식 특성, 내글로우 특성이 우수한 구리합금의 개발에 이르렀다.

본 발명에 의하면, 이하의 수단이 제공된다:

(1) Cr을 0.1∼1mass%, Zn을 0.1∼5.0mass%, Sn을 0.1∼2.0mass% 포함하고, 잔부가 불가피한 불순물 및 Cu로 이루어지는 인장강도(TS)가 600㎫ 이상, 0.2% 내력(YS)이 560㎫ 이상, 도전율(EC)이 40% IACS 이상, 또한, 0.2% 내력(YS)의 80%를 부하한 응력 부식 시험(SCC)에 있어서, 파단시간이 500시간 이상인 전기접속기구용 구리합금,

(2) 응력 완화 특성(SR)이 150℃×1000시간에서 50% 이하인 (1) 기재의 전기접속기구용 구리합금,

(3) Si를 0초과 0.2mass% 이하 포함하는, (1) 또는 (2) 기재의 전기접속기구용 구리합금, 및

(4) 내글로우 특성이 우수한 (1), (2), 또는 (3) 기재의 전기접속기구용 구리합금.

본 발명의 상기 및 다른 목적, 특징 및 이점은, 적절히 첨부된 도면을 참조하여, 하기의 기재로부터 보다 분명해질 것이다.

[발명을 실시하기 위한 최선의 형태]

본 발명의 바람직한 실시형태에 대해서, 상세하게 설명한다.

Cr을 0.1∼1mass%로 한 이유는, Cr는 구리중에서 석출을 일으켜 강화하는 첨가원소이지만 0.1mass% 미만에서는, 충분한 석출 경화를 얻지 못하고, 1.0mass%를 넘으면 그 효과가 포화되어 버려, 반대로 비용이 든다. Cr의 첨가량은, 바람직하게는 0.2∼0.8mass%, 더욱 바람직하게는 0.2∼0.5mass%이다.

Zn을 0.1∼5.0mass%, Sn을 0.1∼2.0mass%로 한 이유는, Zn, Sn은 구리 중에 고용하는 원소이며 고용강화 및 그 후의 냉간가공에 있어서, 강도를 현저하게 높여 내응력 완화 특성을 더 향상시키는 효과가 있기 때문이다. 한편, 이것들은 첨가량이 많으면 도전성을 손상하는 원소이기도 하다. 각각 0.1mass% 미만에서는 그 효과가 불충분하다. Zn이 5.0mass%를 넘으면, 도전성이 뒤떨어질 뿐만 아니라, 내응력 부식 특성에 뒤떨어지고, 아산화구리의 증식량이 많아진다고 하는 문제가 생긴다. Sn이 2.0mass%를 넘으면 도전성에 영향을 준다. 바람직하게는, Zn은 0.13∼4.0mass%, Sn은 0.2∼1.5mass%이다.

Si는 열간가공 균열방지에 기여한다. Sn을 포함한 합금은 열간가공성이 나쁜 것이 알려져 있지만, Si를 첨가함으로써 그 감수성을 낮출 수 있다. 그러나 너무 많으면 도전성이 뒤떨어진다. 바람직하게는 0.001∼0.1mass%이다.

본 발명의 전기접속기구용 구리합금은, 일반적인 제조 방법에 의해, 압연이나 열처리 등을 적당히 반복하여 제조된다. 바람직한 공정과 조건은 다음과 같지만, 이것에 한정되지 않는다.

(1) 주조는 연속 주조가 바람직하다.

(2) 열간 압연을, 900∼1050℃(바람직하게는, 950∼1030℃) 가열로 압연율 80% 이상(바람직하게는 90% 이상)에서 압연 후, 급냉하여 실시한다.

(3) 냉간압연은 통상의 조건으로 60∼98%(바람직하게는 90∼98%이상)의 압연율에서 실시한다.

(4) 열처리를 400∼500℃(바람직하게는 450∼500℃)×1∼5h에서 실시한다.

(5) 최종 마무리 가공(냉간압연)을, 10∼40%의 가공율로 실시한다.

다만, (3)과 (4)의 사이, 혹은, (4)의 도중에서 750∼900℃(바람직하게는 800∼900℃)에서 0.1∼1분간의 열처리를 실시해도 좋다.

본 발명의 구리합금의 인장강도는 600㎫ 이상이지만, 바람직하게는 600㎫ 이상, 700㎫ 이하, 더욱 바람직하게는 600㎫ 이상, 650㎫ 이하이다.

본 발명의 구리합금의 0.2% 내력은 560㎫ 이상이지만, 바람직하게는 580㎫ 이상, 680㎫ 이하, 더욱 바람직하게는 580㎫ 이상, 630㎫ 이하이다.

본 발명의 구리합금의 도전율은 40% IACS 이상이지만, 바람직하게는 45% IACS 이상, 60% IACS 이하, 더욱 바람직하게는 50% IACS 이상, 60%IACS 이하이다.

본 발명의 구리합금의 응력 부식 시험에 있어서의 파단 시간은 500시간 이상이지만, 바람직하게는 1000시간 이상, 더욱 바람직하게는 3000시간 이상이다.

강도(인장강도, 0.2% 내력치)와 도전율은 상반되는 특성으로, 본 합금계의 경우에는 강도를 높이면 도전율이 저하하고, 반대로 도전율을 높이면 강도가 내려간다. 또한, 강도는 휨가공성과도 상반되는 특성으로, 강도가 높을수록 바람직하지만 반대로 휨가공성이 약화한다. 한편, 도전율은 높을수록, 고전류를 사용하는 배선기구에 사용할 수 있다. 또한, 응력 부식 시험의 파단시간도 길수록 신뢰성이 향상한다.

본 발명에 의하면, 강도, 도전성, 내응력 완화 특성 및, 내응력 부식 특성, 또 내글로우 특성이 우수한 전기접속기구에 적합한 구리합금을 제공할 수 있다.

도 1은, 실시예에서 실시한 응력 부식 시험(SCC)의 개략도, 및

도 2는, 실시예에서 이용한 내글로우 특성 및 내아산화구리 증식 특성의 측정 장치의 모식도를 나타낸다.

이하에서는 본 발명을 실시예에 기초하여 더 상세하게 설명하지만, 본 발명은 이것들에 한정되는 것은 아니다.

각종 구리합금은, 고주파 대기 용해로를 이용하여 용해온도가 약 1200∼1250℃, 온탕온도가 약 1200℃에서, 두께 30㎜×폭 120㎜×길이 180㎜의 북 몰드형 주형으로 주조하였다. 얻어진 주조덩어리는, 대기 가열로 중에서 약 950∼1000℃×1hr 유지를 실시하고, 이어서, 열간압연에 의해 두께 약 12∼13㎜로 마무리하였다. 또한, 그 열간 압연판의 표면면삭을 실시하여 두께 약 10㎜의 판으로 마무리하였다.

그 판으로부터 냉간가공과 열처리를 반복하여, 두께 0.5㎜의 평판(조)을 제작하였다. 한편, 열처리 온도는 Cr의 석출처리에서는 400∼450℃×2∼5hr, 최종 마무리 가공율은 10∼40%에서 실시하였다.

또한, 시판되는 구리합금 및 비철재료로 이루어지는 판두께 0.5㎜의 판재를 입수하였다. 그 구리합금은 C2600, C2680, C5111, C5191 및 C7701이고, 스테인리스강은 SUS301, SUS304이다.

이들 재료에 대해 인장강도, 0.2% 내력, 도전율, 응력 완화 특성, 응력 부식성을 조사하였다.

인장강도(TS)와 0.2% 내력(YS)은 JIS-5호 시험편을 압연 평행방향으로부터 잘라내어, JIS Z 2241에 준하여 측정하였다.

도전율(EC)은 폭 10㎜×길이 150㎜의 시험편을 압연 평행방향으로부터 잘라 내어, JIS H 3200에 준하여 단자간 거리 100㎜에서 측정하였다.

응력 완화 특성(SR)은 일본 전자재료공업회 표준규격(EMAS-3003: 스프링재료의 휨에 의한 응력완화 시험방법)에 준거하여, 외팔보법(Cantilever법)에 의해 시험을 실시하였다. 인장시험에서 얻어진 0.2% 내력의 80%를 부하한 상태로, 150℃의 고온조(대기)에 방치하여, 소정의 시간마다 측정을 반복하여 최장 1000시간까지 측정하였다.

응력 부식 시험(SCC)은 JIS C8306의 암모니아 시험법에 준거하고, 도 1에 나타낸 방법으로 응력 부하를 주어 측정하였다. 도면 중 10은 시험편, 11은 부하, 12는 실리콘 캡, 13은 유리셀, 14는 암모니아 용액을 나타낸다. 그 측정은 다음과 같이 하여 실시하였다. 폭 10㎜×길이 100㎜의 시험편(10)을 준비하여, 테이프나 마스킹에 의해 폭 10㎜×길이 10㎜만 상온에서 3vol.%의 암모니아(NH₃) 분위기중에 폭로시키고, 부하(11)를 가하여 파단까지의 시간을 측정하였다. 덧붙여 부하 응력은, 인장시험에서 얻어진 0.2% 내력의 80%로 하였다.

다음으로, 내글로우 특성 및 내아산화구리 증식특성을 평가하였다. 도 2에 내글로우 특성 및 내아산화구리 증식특성의 측정에 이용한 장치의 모식도를 나타낸다.

내글로우 특성은 이하와 같이 평가하였다. 즉, 직경 2㎜의 구리선(2)을 하중 부가기 부착 홀더(1)에 부착하여, 본 발명예 및 비교예의 시료(3)를 시료홀더(4) 위에 배치하고, 구리선(2)과 접촉시켜, 슬라이닥(slidac)(8)과 가변저항기(6)를 이 용하여 상기 구리선(2) 및 시료(3)의 사이에 흐르는 전류를 4암페어로 한다. 이어서 시료홀더(4)를 진동기(5)에 의해 진동시켜, 상기 구리선(2)과 시료(3)의 사이의 전압 파형을 오실로스코프(oscilloscope)(7)에 의해 관찰하였다. 상기 구리선(2)과 시료(3)의 사이에 글로우(미소 방전)가 발생하면, 오실로스코프(7)의 파형이 변화하기 때문에, 이 파형 변화가 발생하기까지 부가한 진동수(회수)로 내글로우 특성을 평가하였다. 내글로우 특성의 평가로서는, 용도에도 의하지만, 기준으로서는, 이 글로우 발생을 나타내는 파형 변화가 발생하기까지 부가한 진동이 1×10³회 이하의 경우는 불량이며, 1×10³회를 넘는 경우는 양호하다.

내아산화구리 증식특성을 이하와 같이 평가하였다. 상기 글로우 발생이 확인되면 동시에 진동기(5)에 의한 진동을 정지하고, 시료(3)를 60분 방치하였다. 이어서, 시료(3)를 꺼내, 상기 시료(3)의 표면에 생성된 아산화구리을 모아 질량을 측정하였다. 이 질량, 즉 아산화구리 증식량(㎎)으로 내아산화구리 증식성을 평가하였다. 내아산화구리 증식성의 평가로서는, 용도에도 의존하지만, 기준으로서는, 이 아산화구리 발생량(㎎)이 200㎎ 이하의 경우는 양호하며, 200㎎를 넘는 경우는 불량이다.

이들 측정결과를 표 1∼4에 나타낸다. 한편, 표에서 같은 성분의 합금에 대해 복수의 강도, 도전율 등이 기재되어 있는 부분이 있지만, 이것은 같은 성분으로 최종 마무리 가공율을 표에 나타내도록 변환한 시험 결과이다.

[표 1-1]

[표 1-2]

[표 2]

표 1 및 표 2의 결과로부터 다음의 것을 알 수 있다.

우선 비교예에 있어서는 다음과 같다.

No.50은 Cr량이 적고, 강도가 딸어졌다.

No.51은 실시예와 비교해도 차이는 없었다. Cr은 과잉으로 첨가하더라도 효과가 포화되어 버려, 고비용이 될 뿐이므로, 실용에 적합하지 않다.

No.52∼57은 Sn, Zn량이 적고, 강도가 떨어지고, 내응력 완화 특성이 50%를 넘고 있어 현저하게 떨어졌다.

No.58, 59는, 도전율이 떨어졌다.

No.60, 61은, 도전성이 떨어졌다.

No.62∼65는 Zn량이 많기 때문에, 내응력 부식 특성이 떨어졌다.

시판 합금에서는, No.80은 도전성이 떨어지고, 또한 응력 부식 균열 이외의 평가 항목이 떨어졌다. No.81, 82의 황동은 도전율과 내응력 부식 특성이 떨어졌다. No.83, 84의 인청동, No.85의 양백(洋白), No.86, 87은 도전율이 떨어졌다.

이에 대해, 실시예 No.1∼46에서는 인장강도(TS), 0.2% 내력(YS), 도전율(EC), 내응력 부식성(SCC), 내응력 완화특성(SR)이 모두 우수한 전기접속기구용 구리합금을 얻을 수 있었다.

다음으로, 상기 실시예의 각 합금에 대해 내글로우 시험과 그 결과의 아산화구리의 발생량에 대해 시험한 결과를 표 3 및 표 4에 나타낸다.

[표 3]

[표 4]

이상의 표 3, 표 4의 결과로부터 분명한 바와 같이, 본 발명의 합금은 우수한 글로우 특성을 갖는다.

또한, 표 1∼표 4의 결과를 종합적으로 고려해보면, 본 발명에 의한 합금은 각 요구 특성을 충족하고 있고, 전기접속기구용 합금으로서 우수한 것을 알 수 있다.

본 발명의 구리합금은, 고강도, 고도전성이며, 내응력 완화 특성 및 내부식 성이 우수하고, 전기접속기구용 구리합금으로서 적합하다.

본 발명을 그 실시형태와 함께 설명했지만, 우리는 특별히 지정하지 않는 우리의 발명을 설명의 어느 세부에 있어서도 한정하려고 하는 것이 아니라, 첨부의 청구의 범위에 나타낸 발명의 정신과 범위에 반하는 일 없이 폭넓게 해석되는 것이 당연하다고 생각한다.

Claims (4)

1. Cr을 0.1∼1mass%, Zn을 0.1∼5.0mass%, Sn을 0.8∼2.0mass% 포함하고,

   잔부가 불가피 불순물과 Cu로 이루어지는 인장강도가 600㎫ 이상, 0.2% 내력이 560㎫이상, 도전율이 40% IACS 이상, 또한, 0.2% 내력의 80%를 부하한 응력 부식 시험에 있어서, 파단시간이 500시간 이상인 전기접속기구용 구리합금.
2. 제 1 항에 있어서, 응력 완화 특성이 150℃×1000시간에서 50% 이하인 전기접속기구용 구리합금.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, Si를 0을 초과 0.2mass% 이하로 포함한 전기접속기구용 구리합금.
4. 삭제

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