KR101394615B1

KR101394615B1 - 압출을 이용한 분말야금계 전기접점 재료의 제조방법

Info

Publication number: KR101394615B1
Application number: KR1020110099928A
Authority: KR
Inventors: 윤원규; 육장용; 김형석
Original assignee: 희성금속 주식회사
Priority date: 2011-09-30
Filing date: 2011-09-30
Publication date: 2014-05-14
Also published as: KR20130035557A

Abstract

본 발명은 압출공정을 이용하여 은(Ag)을 기본으로 하는 전기접점 복합재료와 순은(Pure Ag)으로 이루어진 2종 구조의 클래드재를 제조하는 방법에 관해 기술하고 있다. 본 발명의 가장 큰 특징은 전기접점 복합재료와 순은을 별도로 압출과 압연 후 이종재질을 압접하는 방법에 비해 공정이 축소되어 원가 절감에 큰 영향을 미치며, 압접시 가해지는 압력으로 인한 파괴로 인해 가공이 난이했던 전기접점 복합재료의 클래딩도 본 발명을 통해 제조할 수 있게 되었다. 이를 위해 본 발명 장치에는 은(Ag)과 산화주석(SnO₂) 또는 산화아연(ZnO)과 같은 산화물이 혼합되어 있는 전기접점 복합재료와 순은(Pure Ag) 분말을 이용하고, 압접을 하기 위한 압출용 빌렛을 성형하기 위한 150 ton급 수직 압축장치와 성형된 빌렛을 소결하는 소결로와 압접을 하기 위한 압출장치 1000 ton급 수평 압출장치 및 온도제어용 부가장치 등이 포함된다.
본 발명에 따르면 기존 냉간압접으로 가공이 어려웠던 난가공성의 복합재료의 클래딩을 가능하게 하였고, 열간압접을 위한 별도의 소재가공 단계 및 장치를 제거함으로써 간단한 공정으로 동일한 제품을 생산할 수 있다는 것이다.

Description

압출을 이용한 분말야금계 전기접점 재료의 제조방법{Method for manufacturing powder metallurgy based electric contact materials using extrusion}

본 발명은 롤재(Strip) 형태의 전기접점용 소재의 제조방법에 관한 것으로 상부는 은(Ag)-산화주석(SnO₂)을 주성분으로 하고 하부는 순은(Pure Ag)을 주성분으로 하는 재질로 2종의 구조로 이루어져 있는 전기접점용 소재의 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로 냉간압접의 경우 초기 압하율을 50% 이상 높게 하여야 함으로써 소재의 가공성이 낮은 경우 크랙(Crack)이 발생할 가능성이 높아서 상대적으로 가공성이 양호한 은(Ag)이나 금(Au)을 주성분으로 하는 합금계 재료의 클래딩에 사용되고 있고, 산화주석(SnO₂)과 산화아연(ZnO)과 같은 산화물의 함량이 높은 경우 가공성의 저하로 인해 상대적으로 산화물의 함량이 낮은 전기접점용 복합재료의 클래딩에 제한적으로 사용되고 있다.

이를 해결하기 위해 열간압연이나 전기저항용접 방법이 롤재(Strip)의 클래딩에 사용되고 있지만, 이런 열간압연기와 전기저항용접기의 경우 고가의 장비로 설비투자에 따른 생산비용이 증가하게 된다.

또한, 열간압연이나 전기저항용접 장치를 이용하여 클래딩을 하기 위해서는 은(Ag)을 주성분으로 하는 복합재료와 순은(Pure Ag)의 소재를 이용하여 개별로 성형 - 소결 - 표면가공 - 압출 - 압연 - 표면처리 공정을 통하여 롤재(Strip)로 가공을 해야 함으로써 공정이 복잡해지고 가공 중 발생하는 로스(Loss)로 인해 제조비용의 상승하는 문제점이 있어 왔다.

따라서, 본 발명은 은(Ag)을 기본재질로 하고 산화주석(SnO₂)과 산화아연(ZnO)과 같은 금속산화물이 혼합된 복합소재와 순은(Pure Ag)으로 구성된 소재를 클래딩하기 위해 각각의 분말을 2종으로 구성되게 빌렛형상으로 성형하여 압출함으로써 산화물 함량이 높은 복합소재와 순은(Pure Ag)의 클래딩을 용이하게 하는 것을 그 목적으로 하고 있다.

상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따르면, 은(Ag)를 기본으로 하고 산화주석(SnO₂)이 혼합되어 있는 전기접점 복합소재 분말과 순은(Pure Ag)의 분말을 2종 구조의 빌렛으로 성형하고 진공소결한 후, 압출하여 상부는 은(Ag)을 주성분으로 하는 복합소재로 이루어져 있고 하부는 순은(Pure Ag)의 2종의 구조로 이루어진 롤재(Strip)을 제조하는 것이다.

제조과정은 다음과 같다. 은(Ag)을 기본으로 하고 산화주석(SnO₂)이 혼합되어 있는 전기접점 복합소재 분말과 순은(Pure Ag)의 분말을 각각 제조한 후, 2종 구조의 빌렛(Billet)을 제조하기 중간에 분리대가 장착되어 있는 금형에 각각의 분말을 장입한 후 분리대를 제거하고 1차 성형품을 제작한 후, 진공소결로에 투입하여 900℃까지 승온 후 소결시킨 후 압출함으로써 롤형태(Strip)의 클래드소재를 제작하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른, 2종 구조로 성형된 빌렛이 압출을 통해 롤재(Strip)로 가공되면서 별도의 추가공정을 거치지 않고 클래드 소재를 가공하게 됨으로써, 기존의 열간압연기나 전기저항용접기와 같은 고가의 장비를 사용하지 않고 간단한 공정으로 클래드재를 제조함으로써 제조비용의 절감효과를 가진다. 또한 가열된 상태에서 압출가공이 이루어짐으로써 기존의 냉간압착 방식에서 가공성의 저하로 클래드 제조가 어려웠던 고함량의 산화물이 혼합된 복합재료의 클래드재의 제조가 가능하게 함으로써 고성능을 가진 소재의 제조가 가능하게 되는 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명에 의해 제조되는 전기접점용 소재의 클래드재의 외관을 나타낸다.
도 2는 본 발명에 의해 제조되는 클래드재의 단면조직을 나타낸다.
도 3은 본 발명에 의해 제조되는 전기접점용 클래드재의 제조방법의 전체 공정 흐름도이다.

이하에서, 상기의 공정에 대해 상세하게 설명한다.

먼저, 2종 구조의 성형용 빌렛을 제조하기 위해 원형 금형에 분리판을 장입하여 금형 내벽에 밀착되도록 고정한다. 이때 분리판이 금형 내벽에 밀착되지 않을 경우 분말의 유동으로 인한 혼입 문제가 발생할 수 있다.

분리판의 한쪽에 은(Ag)을 주성분으로 하고 산화주석(SnO₂)이 혼합되어 있는 분말형태의 복합소재를 장입하고 표면을 레벨링하여 균일하게 한다. 다음으로 분리판의 반대쪽에 순은(Pure Ag)의 분말을 장입하고 표면을 레벨링하여 균일하게 한다. 이 때 복합소재와 순은(Pure Ag)의 장입 높이의 차이가 나는 경우 분리대 제거시 소재가 반대쪽으로 넘치는 경우가 발생할 수 있으니 장입량을 정확하게 계량한 후 투입하여야 한다.

분말 장입이 완료되면 상부에 더미금형을 안착시킨 후 분리대를 상부 방향으로 천천히 제거하여 100 kgf/㎠의 압력으로 가압하여 2종 구조의 빌렛(Billet)형태로 성형한다. 빌렛(Billet) 성형이 완료되면 진공소결로에 투입한 후 진공펌프를 이용하여 10^-1Torr까지 감압을 실시한다. 감압이 완료되면 10℃/min의 속도로 승온하면서 900℃까지 도달한 후 6 hr을 유지하여 소결을 완료한다.

소결이 완료되면 소결로에서 빌렛(Billet)을 꺼낸 후 800℃의 전기로에 장입하여 최소 3 hr동안 예열을 실시한다. 예열이 완료되면 빌렛을 꺼내어 압출기 로더에 안착시킨다. 이 때 2종 구조의 접합면이 수평이 되지 않으면 클래드면이 경사지게 되는 문제가 발생할 수 있다.

또한, 압출금형의 경우 어프로치(Approach)각도가 30도인 금형을 사용하는 것이 바람직한데, 각도가 작은 경우 압출재 전단부의 클래드 층이 불균일하여 제품으로 사용하기 어렵고, 반대로 각도가 큰 경우 압출 전단부의 클래드 층의 균일도는 향상되지만 더미의 발생양의 증가로 인한 수율의 저하로 오히려 생산성을 저하시키는 원인이 된다.

압출이 완료되면 0.4~0.6 mm씩 압연하여 필요한 두께의 롤재(Strip)의 가공을 완료한다. 이 때 최대 가공량이 30% 이상이 되면 소재의 균열이 발생하므로 소둔열처리를 하여 가공응력을 제거한 후 추가적으로 압연가공을 실시한다.

이하, 본발명의 실시 형태에 관해서 설명한다.

[실시예1]

은(Ag)함량이 86 중량%이고 산화주석(SnO₂)함량이 10 중량%인 전기접점용 복합소재와 순은(Pure Ag)의 2종 구조를 가지는 롤 형상의 클래드재를 제조한다.

[실시예2]

은(Ag)함량이 86 중량%이고 산화주석(SnO₂)함량이 15 중량%인 전기접점용 복합소재와 순은(Pure Ag)의 2종 구조를 가지는 롤 형상의 클래드재를 제조한다.

[실시예3]

은(Ag)함량이 86 중량%이고 산화아연(ZnO)함량이 14 중량%인 전기접점용 복합소재와 순은(Pure Ag)의 2종 구조를 가지는 롤 형상의 클래드재를 제조한다.

제조 공정은 분리판이 장착된 금형에 복합소재 9 kg과 순은 1 kg을 각각 장입한 후 더미금형을 상부에 안착시킨 후 분리판을 제거한 후 100 kgf/㎠의 압력으로 가압하여 2종 구조의 빌렛을 제조한다.

다음은 진공소결로에 빌렛을 장입한 후 10^-1 MPa까지 감압시킨 후 15℃/min의 속도로 900℃까지 승온시킨 후 6 hr 유지하여 소결을 완료한다. 800℃의 전기로에 소결완료된 빌렛을 장입한 후 3 hr열처리를 한 후 압출기 로더에 수평이 되게 안착시킨 후 180 kgf/㎠의 압력으로 압출을 하여 클래드재를 제조한다. 다음은 클래드재 전단부를 30 cm와 압출더미를 절단한 후 0.3 mm씩 압연하여 1.5 mm두께의 클래드재를 제조한다.

비교를 위해 은(Ag)함량이 86 중량%이고 산화주석(SnO₂)함량이 14 중량%인 전기접점용 복합소재와 순은(Pure Ag)인 클래드재를 열간압접에 의해 제조하였고,

은(Ag)함량이 88 중량%이고 산화주석(SnO₂)함량이 12 중량%인 전기접점용 복합소재와 순은(Pure Ag)인 클래드재를 열간압접에 의해 제조하였고, 은(Ag)함량이 88 중량%이고 산화아연(ZnO)함량이 12 중량%인 전기접점용 복합소재와 순은(Pure Ag)인 클래드재를 열간압접에 의해 제조하였다. 제조방법 별로 가공가능한 재질, 산화물의 함량, 수율, 가공성, 전단강도를 표1에 나타내었다.

구분	실시예1	실시예2	실시예3	비교예1	비교예2	비교예3
제조 방법	압출 클래드	압출 클래드	압출 클래드	열간압접	열간압접	열간압접
재질	AgSnO₂	AgSnO₂	AgZnO	AgSnO₂	AgSnO₂	AgZnO
산화물 함량 (wt%)	10	15	14	14	12	12
가공성 (가공율)	가공성 양호 (Max 24%)	가공성 양호 (Max 22%)	가공성 양호 (Max 22%)	가공불가 -	가공성 (Max 8%)	가공성 (Max 8%)
수율(%)	88	86	84	-	48	48
전단강도 (kgf/cm²)	48	46	42	-	23	21

표1에서는, 산화물 함량이 14%인 경우 열간압접가공 중 크랙이 발생하여 클래드 가공이 불가능한 것으로 나타났으며, 산화물 함량이 12%인 경우 클래드 가공은 가능하지만 측면의 크랙으로 인해 수율이 50% 이하 수준으로 나타났다.

또한, 클래드층 전단강도를 측정한 결과 압출 클래드재의 경우 42~48 kgf/㎠로 높게 나타난 반면, 열간압연에 의한 클래드재의 경우 21~23 kgf/㎠로 절반수준으로 낮은 결과를 나타내었다. 이는 단면사진에서 보듯이 압출에 의한 클래드재의 경우 접합 경계면이 구분이 되지 않는 반면에 열간압연에 의한 클래드재의 경우 경계면이 선명하게 존재함으로 인해 전단강도가 저하되어 실제 스위치에서 동작 중 접점층으로부터 Ag가 탈락되어 설비의 오동작이 발생할 가능성이 높아진다.

도 1a, 1b, 1c에서는 각각 실시예, 비교예1, 비교예2에 따른 클래드 후 외관을 나타내었다. 도 1b를 통해 산화물 함량이 14 중량% 이상인 경우 열간압접에 의한 클래드재의 제조가 불가한 것을 알 수 있다.

도 2a, 2b에서는 각각 실시예, 비교예2의 클래드 접합경계면의 조직사진을 나타내었다. 도 2b를 통해 열간압접으로 클래드재를 제조하는 경우 경계면이 선명하게 구분되는 것을 알 수 있다.

Claims

은(Ag)분말과 산화분말이 혼합되어 있는 전기접점용 복합소재와 순은(Pure Ag)이 클래드되어 있는 롤(Strip) 형태의 소재를 제조함에 있어서,
분리판이 장착된 금형에, 전기접점용 복합소재용 분말 9kg와 순은(Pure Ag) 1kg을 각각 장입한 후에 더미금형을 안착시킨 후 상기 분리판을 제거한 후에 100kgf/cm²의 압력으로 가압하여 2종 구조의 빌렛을 제조하여 소결하는 단계;
상기 소결된 빌렛을 예열한 후, 180kgf/cm²의 압력으로 가압하여 압출하여 42 내지 48 kgf/cm²의 전단강도를 가지는 클래드재를 제조하는 단계; 및
상기 클래드재를 0.3mm씩 냉간압연하여 1.5mm의 일정한 두께로 가공하는 단계를 포함하는 압출을 이용한 분말야금계 전기접점 재료의 제조방법.
제 1항에 있어서,
상기 전기접점용 복합소재는 86 내지 88 중량%의 은(Ag)분말과 12 내지 14 중량%의 산화주석(SnO₂)분말이 혼합되어 있는 것을 특징으로 하는 압출을 이용한 분말야금계 전기접점 재료의 제조방법.
제 1항에 있어서,
상기 전기접점용 복합소재는 88 중량%의 은(Ag)분말과 12 중량%의 산화아연(ZnO)분말이 혼합되어 있는 것을 특징으로 하는 압출을 이용한 분말야금계 전기접점 재료의 제조방법.