KR101465358B1 - 전기 개폐기용 접점 클래드 스트립의 제조방법 및 이로부터 제조된 전기 개폐기용 접점 클래드 스트립 - Google Patents

전기 개폐기용 접점 클래드 스트립의 제조방법 및 이로부터 제조된 전기 개폐기용 접점 클래드 스트립 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다층 전기 접점 클래드 스트립에 필러 메탈 (용가재) 스트립을 접합하기 위해 (a) 다층 전기 접점 클래드 스트립을 불활성 분위기에서 가열하는 단계: (b) 가열된 다층 전기 접점 클래드 스트립 상에, 필러 메탈 스트립을 투입하고 적층하는 단계; 및 (c) 적층된 다층 전기 접점 클래드 스트립 및 필러 메탈을 압연하여 다층 전기 접점 클래드 스트립에 필러 메탈 스트립이 접합된 전기 개폐기용 접점 클래드 스트립 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 전기 개폐기용 접점 클래드 스트립의 제조방법은 필러 메탈 스트립을 용융시키는 대신, 다층 전기 접점 클래드 스트립을 가열한 후 압연하여 접합함으로써, 기존 필러 메탈 스트립의 용융을 통해 접합하는 경우 발생되는 필러 메탈층 두께의 불균일성 및 부풀음 발생을 감소시킬 수 있으며, 전자 개폐기 대재에 연속적으로 용접이 가능하고 생산성을 높일 수 있다.

Description

전기 개폐기용 접점 클래드 스트립의 제조방법 및 이로부터 제조된 전기 개폐기용 접점 클래드 스트립{METHOD OF MANUFACTURING A ELECTRICAL CONTACT CLAD STRIP AND THE ELECTRICAL CONTACT CLAD STRIP PREPARED THEREFROM}
본 발명은 전기 개폐기용 접점 클래드 스트립의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 다층 전기 접점 클래드 스트립에 필러 메탈 스트립을 연속적으로 열간 압연처리하여 접합된 클래드재 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
다층 전기 접점은 단일 또는 이종 성분을 포함하는 2층 이상으로 이루어진 전기접점으로, 전기회로를 개폐시켜 주는 기능을 담당하는 부품이다. 특히 전자기기 중에서 스위치, 릴레이, 전기 개폐기 및 차단기 등에 사용된다.
2층 이상의 다층으로 이루어진 전기 접점 재료를 만드는 통상적인 제조방법은 동종 또는 이종 재질의 두꺼운 판을 적층한 후 반복적인 열간 및 냉간압연을 통해 제조된다. 이로 인해 제조에 소요되는 시간이 증가하며, 제조된 전기 접점의 접합 층간의 두께 제어가 어려우며, 층간 접합계면의 형상이 고르지 않아 전기 접점으로 사용시 저항이 증가하는 문제점을 가지고 있었다.
또한, 일반적으로 스위치, 릴레이, 전자개폐기 및 차단기 등을 제조하기 위해서는 전기 접점을 전기 접촉 부품의 몸체를 이루는 모재 금속과 접합하는 과정이 필요하다. 통상적으로 모재와 전기 접점을 접합하는 방법은 모재에 필러 메탈(filler metal)을 도포한 후, 전기 접점을 모재에 적층하고 이후 열을 가해 필러 메탈만을 용융시켜 접합하는 브레이징(brazing) 방법이 사용된다. 이러한 종래의 방법은 필러 메탈이 용융되어 접합되기 때문에, 다층 전기접점층에 접합시 필러 메탈층의 두께 불균일 문제가 발생하며, 또한 용융 후 냉각시 필러 메탈층에 부풀음이 발생되어 모재에 연속적인 용접 공정이 불가하며, 나아가 용접시 용접 불량을 발생시키는 문제점을 가지고 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 필러 메탈 스트립(filler metal strip)을 용융시키지 않고 다층 전기 접점을 파이프(Pipe) 열처리로를 통해 불활성 분위기에서 가열한 후 필러 메탈 스트립을 압연하여 접합하는 경우, 기존 필러 메탈의 용융을 통해 접합하는 경우 발생되는 필러 메탈층 두께의 불균일 문제점 및 부풀음 발생 등을 감소시켜 전기 개폐기 대재에 연속적으로 용접이 가능하며, 높은 용접강도 확보가 가능하다는 것을 착안하였다.
이에, 본 발명은 다층 전기 접점을 불활성 분위기에서 가열한 후 필러 메탈 스트립을 압연하여 접합하는 전기 개폐기용 접점 클래드 스트립의 신규 제조방법 및 이로부터 제조된 접점 클래드재를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 (a) 다층 전기 접점 클래드 스트립을 불활성 분위기에서 가열하는 단계; (b) 가열된 다층 전기 접점 클래드 스트립 상에, 필러 메탈 스트립을 투입하고 적층하는 단계; 및 (c) 적층된 다층 전기 접점 클래드 및 필러 메탈 스트립을 압연하여 이들을 접합하는 단계를 포함하는 전기 개폐기용 접점 클래드 스트립의 제조방법을 제공한다.
또한 본 발명은 전술한 방법에 의해 제조된 것으로서, 18 ~ 40A 전기 개폐기용 접점 클래드 스트립을 제공한다.
본 발명에서는 필러 메탈 스트립을 용융시키지 않고 다층 전기 접점 클래드 스트립을 가열한 후 압연하여 접합하는 신규 제조공정을 실시함으로써, 기존 필러 메탈의 용융을 통한 접합시 발생되는 필러 메탈층 두께의 불균일성 및 부풀음 발생 문제점을 해결하여 전기 개폐기 대재에 연속적으로 용접이 가능한 전기 개폐기용 접점 클래드 스트립을 제조할 수 있다. 따라서 전기 개폐기용 접점 제조의 생산성을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 다층 전기 접점 클래드 스트립의 제조공정을 나타내는 도면이다.
도 2는 실시예 1 및 비교예 1에서 각각 제조된 전기 개폐기용 접점 클래드 스트립에서 필러 메탈층의 표면을 나타내는 광학 현미경 사진이다.
도 3은 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 전기 개폐기용 접점 클래드 스트립의 단면 구조를 나타내는 FESEM (field emission SEM) 사진이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
기존 필러 메탈을 모재에 접합하는 방식은, 모재에 필러 메탈을 적층시키고 동시에 열처리로를 통과시켜 융점이 낮은 필러메탈을 용융시킨 후, 이를 모재에 접합하는 방식이다. 이러한 접합방식은 필러 메탈의 흐름성에 따라 모재에 접합되는 필러 메탈층의 두께가 균일하지 않은 문제점이 발생된다.
이에 비해, 본 발명에서는 다층 전기 접점 클래드 스트립에 필러 메탈 스트립을 접합하되, 필러 메탈 스트립을 용융시키지 않고 다층 전기 접점 클래드 스트립을 가열한 후 이의 표면 상에 필러 메탈 스트립을 적층 및 압연하여 접합하는 것을 특징으로 한다.
즉, 본 발명에서는 모재만을 열처리로를 통과시켜 고온의 상태로 만든 후, 가열된 모재 상에 필러메탈을 적층시키고 압연하여 필러메탈을 용융시키지 않고 접합하게 된다.
이에 따라, 본 발명에서는 기존 필러 메탈의 용융을 통해 접합시 초래되는 필러 메탈층 두께 불균일성 및 부풀음 발생 등을 감소시킬 수 있으며, 전기 개폐기 대재에 연속적으로 용접이 가능하다. 따라서, 전기 개폐기용 접점 제조의 생산성을 높일 수 있을 뿐만 아니라 전기 개폐기용 접점 클래드 스트립의 높은 용접강도 확보가 가능하다.
<전기 개폐기용 접점 클래드 스트립의 제조방법>
이하, 본 발명에 따른 전기 개폐기용 접점 클래드 스트립의 제조방법에 대해 설명한다. 그러나 하기 제조방법에 의해서만 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 각 공정의 단계가 변형되거나 또는 선택적으로 혼용되어 수행될 수 있다.
본 발명에 따른 전기 개폐기용 접점 클래드 스트립의 제조방법은, 2층 이상의 다층 전기접점 클래드 스트립에 필러 메탈 스트립을 접합시키되, 특정 온도범위로 미리 가열된 다층 접점 클래드 스트립 상에 필러 메탈 스트립을 순차적으로 적층한 후 이들을 압연하는 방식에 의해 접합될 수 있다.
상기 제조방법의 바람직한 일 실시예를 들면, (a) 다층 전기 접점 클래드 스트립을 불활성 분위기에서 가열하는 단계; (b) 가열된 다층 전기 접점 클래드 스트립 상에, 필러 메탈 스트립을 투입하고 적층하는 단계; 및 (c) 적층된 다층 전기 접점 클래드 및 필러 메탈 스트립을 압연하여 다층 전기접점 클래드에 필러 메탈 스트립을 접합하는 단계를 포함하여 구성될 수 있다.
이하, 상기 제조방법을 각 단계별로 나누어 설명하면 다음과 같다.
(1) 다층 전기 접점 클래드 스트립을 불활성 분위기 하에서 가열하는 단계 (제1단계)
본 발명에서, 다층 전기접점 클래드 스트립은 2층 이상의 다층 구조를 가진 전기접점용 소재일 수 있으며, 은(Ag) 함유 합금층과 은(Ag) 층을 포함하는 2층 이상의 다층 판상 형태의 스트립 소재일 수 있다.
여기서, 은(Ag) 함유 합금층은 은과 합금(alloy) 형성이 가능한 당 업계에 알려진 통상적인 금속을 포함하면 특별한 제한이 없다. 일례로, 상기 은(Ag) 함유 합금층은 은(Ag) : 카드뮴 = 75~95 : 5~25 중량비 범위의 조성인 것이 바람직하다.
또한 상기 은(Ag) 층은 100% 은(Ag) 층으로 구성될 수 있다.
상기 단계에서, 다층 전기 접점 클래드 스트립은 은과 카드뮴의 중량비로 은(Ag) : 카드뮴 = 75~95: 5~25으로 혼합된 합금층과 100% 은(Ag) 층으로 구성되어 있으며, 플라즈마 표면 처리 및 압출 방식으로 제조된 클래드 스트립인 것이 바람직하다.
이때, 상기 플라즈마 표면처리 및 압출방식으로 제조된 다층 전기 접점 클래드 스트립은, 이후 진공 열처리로에서 열처리되고, 내부 산화가 실시된 것일 수 있다. 이의 바람직한 일례를 들면, 제조된 다층 전기 접점 클래드 스트립을 400~500℃, 10~15 시간의 조건으로 열처리를 실시하고, 산소 분위기에서 온도 700~800℃, 16~30 시간, 산소분압 5 ~ 10 kgf/mm2 조건으로 내부산화가 실시될 수 있다.
상기 제1단계에서는 본 발명의 다층 전기 접점 클래드 스트립을 가열하게 되는데, 이때 가열 온도는 사용하고자 하는 필러 메탈 스트립 소재의 융점 이상의 온도 범위로 가열하는 것이 바람직하다. 일례로, 상기 (a) 단계에서 다층 전기접점 클래드 스트립의 가열온도는 650~700℃ 범위일 수 있다.
또한 상기 가열방식은 당 업계에 알려진 통상적인 방법에 따라 실시될 수 있으며, 바람직하게는 파이프(Pipe) 열처리로를 통해 불활성 분위기 하에서 가열할 수 있다.
(2) 가열된 다층 전기 접점 클래드 스트립 상에, 필러 메탈 스트립을 투입하고 적층하는 단계 (제2단계)
상기 제2단계에서, 가열된 다층 전기 접점 클래드 스트립 상에 투입되는 필러 메탈 스트립은, 당 업계에 알려진 통상적인 필러 메탈 소재를 제한 없이 사용할 수 있다. 일례로, 상기 필러 메탈 스트립은 구리(Cu), 은(Ag) 및 인(P)으로 구성된 군으로부터 선택되는 2종 이상을 포함하는 합금 형태의 조성일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일례에 따르면, 상기 필러 메탈 스트립은 구리(Cu), 은(Ag) 및 인(P)의 합금이며, 은(Ag) 및 인(P)의 중량비로 은(Ag) : 인(P) = 14.5~15.5 : 4.8~5.2로 용해되어 제조된 원형 빌렛(billet)을 열간 압출하여 제조된 판상 형태의 스트립재일 수 있다. 이때 전체 100 중량부를 기준으로 하여, 은(Ag)과 인(P)을 제외한 잔량은 구리의 함량이다.
전술한 필러 메탈 스트립은 이미 가열된 다층 전기 접점 클래드 스트립 상에 투입된 후 적층되는데, 이때 압연롤 선단부의 가이드롤러를 통해 이들을 순차적으로 적층하는 것이 바람직하다.
(3) 적층된 다층 전기 접점 클래드 및 필러 메탈 스트립을 압연하여 다층 전기접점 클래드에 필러 메탈 스트립을 접합하는 단계 (제3단계)
상기 제3단계에서는, 이전 단계에서 적층된 다층 전기 접점 클래드와 필러 메탈 스트립을 압연하여 서로 접합하게 된다. 이때 압하시 압하율은 특별히 제한되지 않으나, 일례로 압하율은 5% 이하일 수 있으며, 바람직하게는 3% 이하일 수 있다.
본 발명에서는 전술한 방법에 의해 제조된 18 ~ 40A 전기 개폐기용 접점 클래드 스트립을 제공한다.
실제로, 상기와 같이 제조된 본 발명의 전기 개폐기용 접점 클래드 스트립은 종래 메탈 필러 스트립을 용융시켜 접합된 접점 클래드 스트립에 비해, 필러 메탈층의 두께가 균일하게 접합되어 있으며 이의 표면 및 계면의 형상 모두가 고르다는 것을 확인할 수 있었다(도 2~3 참고).
이하, 본 발명을 실시예 및 비교예에 의거하여 더욱 상세히 설명하나, 하기 실시예 및 비교예에 의하여 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1]
그래뉼 형태의 은(Ag)과 카드뮴을 중량비 84.5 : 15.5로 혼합한 후 도가니에 장입하고, 고주파 용해로를 이용하여 원형 (직경 80mm, 높이 270mm) 형태의 빌렛(billet)을 주조하였다. 원형 빌렛을 고주파 가열 장치에 500℃, 1hr 조건 하에 장입한 후 열간압출 및 압연을 실시하여 두께 2.5 mm의 판상형태의 스트립을 제조하였다. 상기 은-카드뮴 합금 스트립을 표면 활성화 장치의 상부에 위치시키고, 두께 0.2mm 은(Ag) 스트립을 표면 활성화 장치의 하부에 위치시켰다.
진공펌프를 이용하여 5×10-5 Torr 까지 진공도를 확보한 후 플라즈마 반응가스를 주입하고, Plasma Power 0.3 ~ 1.5 kw, Gas Flow 500 ~ 600 sccm, Roll Speed 1m/min, 압연하중 4.0 ~ 6.5 Ton, Tension 1 ~ 30gf을 통하여 은(Ag) 스트립 및 은-카드뮴 합금 스트립을 접합하여 두께 1.0mm 2층 구조의 전기 접점 클래드 스트립을 제조하였다.
상기 제조된 2층 구조의 클래드 스트립을 진공 열처리로에서 400℃, 10hr 조건으로 열처리를 실시하고, 산소 분위기에서 온도 700 ~ 800℃, 시간 16 ~ 30hr, 산소분압 5 ~ 10 kgf/mm2 조건으로 내부 산화를 실시하였다.
상기 내부 산화된 2층 이상 다층 구조의 전기 접점 클래드 스트립을 Pipe 열처리로를 통해 불활성 분위기에서 650~700℃ 온도에서 가열한 후 필러 메탈 스트립을 가열된 다층 전기 접점 클래드 스트립에 적층하고, 압하율 3%로 압연하여 다층 전기 접점 클래드 스트립에 필러 메탈 스트립이 접합된 전기 개폐기용 접점 클래드 스트립을 제조하였다.
[비교예 1]
상기 2층 구조의 클래드 스트립 상에 필러 메탈 스트립을 용융 및 접합시켜 제조된 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 실시하여 비교예 1의 전기 개폐기용 접점 클래드 스트립을 제조하였다.
[평가예]
실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 전기 개폐기용 접점 클래드 스티립의 물성을 하기와 같이 평가하였다.
도 2는 실시예 1 및 비교예 1에서 각각 제조된 전기 개폐기용 접점 클래드 스트립에서 필러 메탈층의 표면을 나타내는 광학 현미경 사진이다.
도 2의 실시예는 다층 접점 클래드 스트립에 필러 메탈 스트립을 열간 접합시켜 제조된 실시예 1의 전기 개폐기용 접점 클래드 스트립으로서, 필러 메탈층의 두께가 균일하고 이의 표면 및 계면의 형상이 모두 고르다는 것을 알 수 있었다. 이에 비해, 도 2의 비교예는 기존 다층 접점 클래드 스트립에 필러 메탈 스트립을 용융하여 접합시켜 제조된 비교예 1의 전기 개폐기용 접점 클래드 스트립으로서, 필러 메탈층의 표면과 계면이 모두 고르지 않을 뿐만 아니라 두께가 불균일하여 두께 제어가 어렵다는 것을 확인할 수 있었다.
한편, 도 3은 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 전기 개폐기용 접점 클래드 스트립의 단면 구조를 나타내는 FESEM (field emission SEM) 사진이다.
도 3의 실시예와 비교예를 비교한 결과, 실시예 1에서 제조된 전기 개폐기용 접점 클래드 스트립은 비교예 1에 비해 필러 메탈층 두께가 균일하게 접합되어 있음을 확인할 수 있었다.

Claims (8)

  1. 2층 이상의 다층 전기접점 클래드 스트립에 필러 메탈 스트립을 접합하는 방법에 있어서,
    (a) 다층 전기 접점 클래드 스트립을 불활성 분위기에서 가열하는 단계;
    (b) 가열된 다층 전기 접점 클래드 스트립 상에, 필러 메탈 스트립을 투입하고 적층하는 단계; 및
    (c) 적층된 다층 전기 접점 클래드 및 필러 메탈 스트립을 압연하여 이들을 접합하는 단계를 포함하며,
    상기 (a) 단계에서 다층 전기접점 클래드 스트립은, 은(Ag) 함유 합금층과 은(Ag) 층을 포함하는 2층 이상의 다층 판상 형태의 스트립이며,
    상기 은(Ag) 함유 합금층은 은(Ag) : 카드뮴 = 75~95 : 5~25 중량비 범위의 조성인 것을 특징으로 하는 전기 개폐기용 접점 클래드 스트립의 제조방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서, 상기 (a) 단계에서 다층 전기접점 클래드 스트립의 가열온도는 650~700℃ 범위인 것을 특징으로 하는 전기 개폐기용 접점 클래드 스트립의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 (b) 단계에서 필러 메탈 스트립은 구리(Cu), 은(Ag) 및 인(P)으로 구성된 군으로부터 선택되는 2종 이상을 포함하는 합금 형태의 조성인 것을 특징으로 하는 전기 개폐기용 접점 클래드 스트립의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 (b) 단계는 압연롤 선단부의 가이드롤러를 통해 적층되는 것을 특징으로 하는 전기 개폐기용 접점 클래드 스트립의 제조방법.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 (c) 단계에서 압연시 압하율은 5% 이하인 것을 특징으로 하는 전기 개폐기용 접점 클래드 스트립의 제조방법.
  8. 삭제
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