KR101843233B1

KR101843233B1 - 전기 접점 재료의 제조방법

Info

Publication number: KR101843233B1
Application number: KR1020150174182A
Authority: KR
Inventors: 이용광; 김용희; 임종빈
Original assignee: 희성금속 주식회사
Priority date: 2015-12-08
Filing date: 2015-12-08
Publication date: 2018-03-28
Also published as: KR20170067474A

Abstract

본 발명은 펠렛 성형 및 압출 공법을 적용하여 전기 접점 재료를 제조하는 방법에 관한 것이다.

Description

전기 접점 재료의 제조방법{MANUFACTURING METHOD FOR ELECTRIC CONTACT MATERIAL}

본 발명은 개폐기, 차단기 등에 사용되는 전기 접점 재료를 제조하는 방법에 관한 것이다.

전기 접점 재료는 개폐기, 차단기 등의 전기기기에서 전기회로의 개폐를 제어하는데 사용되는 통전용 접촉 재료로서, 모터 스위치, 스위치 기어, MCCB, 소형 모터 및 램프, 자동차 및 가전제품 등에 적용된다.

이러한 전기 접점 재료는 개폐기능과 관련하여 융점이 높고 전기전도도, 열전도도 및 내용착성이 우수하고 접촉저항이 낮은 것이 요구되며, 내마모성과 관련하여 경도가 높은 것이 요구된다.

이와 같은 전기 접점 재료는 재질에 따라 텅스턴계, 은-산화물계, 은-흑연계, 귀금속계 등으로 분류될 수 있다. 그 중 은-흑연계 전기 접점 재료는 흑연의 sliding 특성으로 인해 전기전도도가 우수하여 주로 고정 접점으로 사용된다.

종래에는 상기 은-흑연계 전기 접점 재료를 제조하기 위해 원료 분말을 혼합 및 소결한 후 프레스 성형하는 방법이 적용되었다. 그러나, 프레스 성형하여 제조된 은-흑연계 전기 접점 재료는 고밀도 및 고경도를 나타내는데 한계가 있어, Full Life Test 진행 시 크랙이 발생하고, 이를 전기기기에 적용할 경우 전기기기의 통전성 및 차단특성이 저하되는 문제점이 있었다.

대한민국 공개특허공보 제2009-0098881호

상기한 문제점을 해결하기 위해 본 발명은, 고밀도 및 고경도를 나타낼 수 있는 전기 접점 재료의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 제조방법으로 제조된 전기 접점 재료를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은, a) 접점층을 형성하기 위한 제1 원료와 용접층을 형성하기 위한 제2 원료를 각각 혼합하여 제1 원료 파우더와 제2 원료 파우더를 준비하는 단계; b) 상기 제1 원료 파우더와 상기 제2 원료 파우더를 각각 펠렛 성형하여 제1 펠렛과 제2 펠렛을 제조하는 단계; c) 상기 제1 펠렛과 상기 제2 펠렛을 각각 소결하는 단계; d) 상기 소결된 제1 펠렛과 제2 펠렛을 각각 연마하는 단계; e) 상기 연마된 제1 펠렛과 제2 펠렛을 몰드에 순차적으로 투입하고 가압하여 빌릿을 제조하는 단계; f) 상기 빌릿을 열간압축하는 단계; 및 g) 상기 열간압축된 빌릿을 압출하는 단계를 포함하는 전기 접점 재료의 제조방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 제조방법으로 제조된 전기 접점 재료를 제공한다.

본 발명은 각 원료 파우더를 펠렛 성형한 후 열간압축 및 압출 과정을 거쳐 전기 접점 재료를 제조하기 때문에 고밀도 및 고경도를 가짐과 동시에 전기전도도가 우수한 전기 접점 재료를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예 1에서 제조된 전기 접점 재료의 단면을 확인한 OM 이미지이다.
도 2는 본 발명의 비교예 1에서 제조된 전기 접점 재료의 단면을 확인한 OM 이미지이다.

이하 본 발명을 설명한다.

1. 전기 접점 재료의 제조방법

본 발명은 원료 분말을 혼합 및 소결한 후 프레스 성형하여 전기 접점 재료를 제조하는 종래의 방법과 달리 원료 분말을 펠렛 성형한 후 압출 과정을 거쳐 전기 접점 재료를 제조하는 방법에 관한 것으로, 이에 대해 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

a) 원료 파우더 준비

접점층을 형성하기 위한 제1 원료와 용접층을 형성하기 위한 제2 원료를 각각 혼합하여 제1 원료 파우더와 제2 원료 파우더를 준비한다. 즉, 제1 원료와 제2 원료 각각을 혼합기에 투입 및 혼합하여 각각의 원료 파우더를 제조하는 것이다.

여기서 제1 원료를 이루는 성분은 특별히 한정되지 않으나, 은(Ag), 니켈(Ni) 및 흑연(graphite)을 포함하는 것이 바람직하다. 이때, 각 성분의 함량은 특별히 한정되지 않으나, 접점층의 특성을 고려할 때, 제1 원료 100 중량%를 기준으로, 1 내지 3 중량%의 니켈(Ni); 2 내지 6 중량%의 흑연; 및 잔량으로 은(Ag)인 것이 바람직하다. 또한, 제1 원료에 포함된 흑연은 판상(flake type)이 아닌 괴상(massive type)인 것이 바람직하다. 괴상 흑연을 사용함에 따라 전기 접점의 경도(강도)를 높일 수 있기 때문이다.

상기 제2 원료를 이루는 성분은 특별히 한정되지 않으나, 은(Ag) 및 니켈(Ni)을 포함하는 것이 바람직하다. 이때, 각 성분의 함량은 특별히 한정되지 않으나, 용접층의 특성을 고려할 때, 제2 원료 100 중량%를 기준으로, 13 내지 17 중량%의 니켈(Ni); 및 잔량으로 은(Ag)인 것이 바람직하다.

b) 펠렛 성형

상기 제1 원료 파우더와 상기 제2 원료 파우더를 각각 펠렛 성형하여 제1 펠렛과 제2 펠렛을 제조한다. 구체적으로, Rotary Press를 이용하여 각각의 원료 파우더를 펠렛 형태로 성형하는 것이다. 이때, 펠렛 성형된 제1 펠렛과 제2 펠렛 각각의 크기는 특별히 한정되지 않으나, 직경이 1 내지 5 Φ이고, 두께가 1 내지 10 ㎜인 것이 바람직하다.

c) 소결

상기 제1 펠렛과 상기 제2 펠렛을 각각 소결한다. 즉, 제1 펠렛과 제2 펠렛 각각을 소결하여 제1 소결체와 제2 소결체를 제조하는 것이다. 이때, 제1 펠렛과 제2 펠렛 각각을 소결하는 조건은 특별히 한정되지 않으나, 소결하는 온도는 900 내지 960 ℃이고, 소결하는 시간은 20 분 내지 10 시간인 것이 바람직하다. 이와 같이 제1 펠렛과 제2 펠렛 각각을 소결함으로써 각 펠렛의 밀도를 향상시킬 수 있다.

d) 연마

상기 소결된 제1 펠렛(제1 소결체)과 제2 펠렛(제2 소결체)을 각각 연마한다. 이때 연마하는 방법은 특별히 한정되지 않으나, 바렐(barrel) 연마인 것이 바람직하다. 상기 바렐 연마를 함으로써 각 펠렛의 표면에 은(Ag)이 유도되어 펠렛을 접합하여 후술되는 빌릿 제조 시 접합력을 향상시킬 수 있기 때문이다.

e) 빌릿 제조

상기 연마된 제1 펠렛과 제2 펠렛을 몰드에 투입하고 가압하여 제1 펠렛과 제2 펠렛이 접합된 빌릿(billet)을 제조한다. 이때, 가압하는 압력은 특별히 한정되지 않으나, 100 내지 180 kgf/㎠인 것이 바람직하다.

f) 열간압축

상기 빌릿의 밀도를 높이기 위해 열간압축한다. 이때, 열간압축하는 조건은 특별히 한정되지 않으나, 열간압축하는 온도는 650 내지 850 ℃이고, 열간압축하는 압력은 100 내지 180 kgf/㎠이며, 열간압축하는 시간은 1 내지 10 분인 것이 바람직하다.

한편, 열간압축된 빌릿은 후술되는 압출 공정을 수행하기 전에 표면 면삭 및 열처리를 거치는 것이 바람직하다. 상기 빌릿을 표면 면삭 및 열처리함에 따라 압출기에서의 투입 및 인출이 용이해지기 때문이다.

g) 압출

상기 열간압축된 빌릿을 압출한다. 즉, 열간압축된 빌릿을 압출기에 투입하여 띠형상을 가지는 소재로 압출하는 것이다. 이때, 압출하는 조건은 특별히 한정되지 않으나, 압출하는 온도는 650 내지 850 ℃이고, 압출하는 압력은 100 내지 180 kgf/㎠이며, 압출하는 시간은 1 내지 30 분인 것이 바람직하다.

이후 띠형상의 소재를 프레스를 이용하여 요구되는 크기에 맞게 타발하고, 타발된 소재를 다시 바렐 연마한 후, 잔존 수분을 제거하기 위해 열처리하는 과정을 추가로 거칠 수 있다.

2. 전기 접점 재료

본 발명은 상기 제조방법으로 제조된 전기 접점 재료를 제공한다. 이러한 본 발명의 전기 접점 재료는 상기 제조방법으로 제조되기 때문에 치밀한 조직구조를 가져 고밀도 및 고경도를 나타내며, 전기전도도도 우수할 수 있다. 이와 같은 본 발명의 전기 접점 재료는 다양한 분야에 적용될 수 있으며, 특히 개폐기, 차단기 등의 전기기기의 전기회로에 유용하게 적용될 수 있다.

이하 본 발명을 실시예를 통하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

[ 실시예 1] 전기 접점 재료의 제조

니켈 2중량%, 흑연 4중량% 및 잔량의 은으로 이루어진 제1 원료와 니켈 15 중량% 및 잔량의 은으로 이루어진 제2 원료 각각을 혼합기에 투입하고 혼합하여 제1 원료 파우더와 제2 원료 파우더를 제조하였다.

이후 제1 원료 파우더로 제1 펠렛을 성형하고, 제2 원료 파우더로 제2 펠렛을 성형하였다. 성형된 제1 펠렛과 제2 펠렛 각각의 크기는 직경이 3~4 Φ이고, 두께가 2~4 ㎜ 정도였다.

다음, 각각의 펠렛을 945 ℃에서 소결한 후 표면에 Ag Rich층을 형성하기 위해 바렐공정을 진행하였다.

이 후 제1 펠렛과 제2 펠렛을 몰드에 투입하고 170 kgf/㎠의 압력으로 가압하여 제1 펠렛과 제2 펠렛이 접합된 빌릿(billet)을 제조하였다. 이때 제조된 각각의 빌릿의 크기는 직경이 110 Φ이고, 두께가 100~300 ㎜정도였다.

다음, 제조된 빌릿의 밀도를 높이기 위해 750 ℃의 온도에서 170 kgf/㎠의 압력을 가하여 1 내지 5 분 동안 열간압축하였다. 그 다음, 열간압축된 빌릿을 표면 면삭 및 열처리한 후 빌릿을 압출기에 투입하여 띠형상을 가지는 소재로 압출하였다. 이때, 압출은 750 ℃의 온도에서 165 내지 175 kgf/㎠의 압력 하에 1 내지 10 분 동안 이루어졌다.

이 후 띠형상의 소재를 프레스를 이용하여 타발하고, 추가 바렐 공정 및 열처리 공정을 거쳐 전기 접점 소재를 제조하였다.

[ 비교예 1] 전기 접점 재료의 제조

니켈 2 중량%, 흑연 4 중량% 및 잔량의 은으로 이루어진 제1 원료와 니켈 15 중량% 및 잔량의 은으로 이루어진 제2 원료 각각을 혼합기에 투입하고 혼합하여 제1 원료 파우더와 제2 원료 파우더를 제조하였다. 이 후 성형기에 각각의 파우더를 투입하여 2Layer의 접점을 규격에 맞게 성형하였다. 다음, 성형된 2Layer의 접점을 945 ℃의 온도에서 30분 내지 1 시간 동안 소결하여 소결체를 제조하고 코이닝 공정 및 바렐 공정을 거쳤다. 그 다음, 열처리 공정을 거쳐 전기 접점 재료를 제조하였다.

[ 실험예 1] 단면 조직 확인

상기 실시예 1 및 상기 비교예 1에서 제조된 전기 접점 재료의 단면(구체적으로, 접점층의 단면)을 광학현미경(OM)으로 각각 확인하였으며, 그 결과를 각각 도 1 및 도 2에 나타내었다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 제조방법으로 제조된 실시예 1의 전기 접점 재료의 조직(접점층의 조직)이 균일하면서도 치밀한 것을 확인할 수 있다.

[ 실험예 2] 비중 평가

상기 실시예 1 및 상기 비교예 1에서 제조된 전기 접점 재료의 비중을 비중측정기로 평가하였으며, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

측정 횟수	비교예 1	실시예 1
1회	8.72	9.34
2회	8.75	9.34
3회	8.77	9.37
4회	8.71	9.39
5회	8.80	9.35
평균	8.75	9.36

상기 표 1을 참조하면, 본 발명의 제조방법으로 제조된 실시예 1의 전기 접점 재료는 비중이 높은 것을 확인할 수 있다. 이러한 점은 본 발명의 제조방법으로 제조된 실시예 1의 접점 재료가 고밀도를 나타낸다는 것을 뒷받침하는 것이다.

[ 실험예 3] 전기전도도 평가

상기 실시예 1 및 상기 비교예 1에서 제조된 전기 접점 재료의 전기전도도를 전기전도도 측정기로 평가하였으며, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.

측정 횟수	비교예 1	실시예 1
1회	58.65	78.76
2회	61.77	77.59
3회	59.69	77.17
4회	63.48	78.05
5회	62.33	79.21
6회	57.26	78.57
7회	58.04	80.39
8회	62.02	79.56
9회	61.89	78.04
10회	61.59	78.71
평균	60.67	78.61

상기 표 2를 참조하면, 본 발명의 제조방법으로 제조된 실시예 1의 전기 접점 재료는 전기전도도가 우수한 것을 확인할 수 있다.

[ 실험예 4] 경도 평가

상기 실시예 1 및 상기 비교예 1에서 제조된 전기 접점 재료의 경도를 비커스 경도 측정기로 평가하였으며, 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.

측정 횟수	비교예 1	실시예 1
1회	71.70	72.90
2회	66.60	67.50
3회	56.00	66.80
4회	54.70	70.30
5회	59.00	68.70
6회	58.00	67.30
7회	67.40	70.60
8회	54.70	69.80
9회	62.10	71.20
10회	70.10	72.90
평균	62.03	69.80

상기 표 3을 참조하면, 본 발명의 제조방법으로 제조된 실시예 1의 전기 접점 재료는 고경도를 나타내는 것을 확인할 수 있다.

[ 실험예 5] FLT 평가

상기 실시예 1 및 상기 비교예 1에서 제조된 전기 접점 재료의 강도를 접점강도 Test기로 평가하였으며, 그 결과를 하기 표 4에 나타내었다.

측정 횟수	비교예 1	실시예 1
1회	6,521	36,219
2회	10,242	35,712
3회	8,014	40,121
4회	9,143	37,820
5회	8,219	39,421
6회	7,786	55,411
7회	6,615	34,521
8회	8,847	35,683
9회	7,461	45,951
10회	8,732	40,661
평균	8,158	40,152

상기 표 4를 참조하면, 본 발명의 제조방법으로 제조된 실시예 1의 전기 접점 재료는 고강도를 나타내는 것을 확인할 수 있다.

Claims

a) 접점층을 형성하기 위한 제1 원료와 용접층을 형성하기 위한 제2 원료를 각각 혼합하여 제1 원료 파우더와 제2 원료 파우더를 준비하는 단계;
b) 상기 제1 원료 파우더와 상기 제2 원료 파우더를 각각 펠렛 성형하여 제1 펠렛과 제2 펠렛을 제조하는 단계;
c) 상기 제1 펠렛과 상기 제2 펠렛을 각각 소결하는 단계;
d) 상기 소결된 제1 펠렛과 제2 펠렛을 각각 연마하는 단계;
e) 상기 연마된 제1 펠렛과 제2 펠렛을 몰드에 순차적으로 투입하고 가압하여 빌릿을 제조하는 단계;
f) 상기 빌릿을 열간압축하는 단계; 및
g) 상기 열간압축된 빌릿을 압출하는 단계를 포함하는 전기 접점 재료의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 제1 원료는 은(Ag), 니켈(Ni) 및 흑연을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 접점 재료의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 제2 원료는 은(Ag) 및 니켈(Ni)을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 접점 재료의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 c) 단계의 소결은 900 내지 960 ℃의 온도에서 20 분 내지 10 시간 동안 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기 접점 재료의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 f) 단계의 열간압축은 650 내지 850 ℃의 온도 및 100 내지 180 kgf/㎠의 압력에서 1 내지 10 분 동안 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기 접점 재료의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 g) 단계의 압출은 650 내지 850 ℃의 온도 및 100 내지 180 kgf/㎠의 압력에서 1 내지 30 분 동안 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기 접점 재료의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 연마는 바렐(barrel) 연마인 것을 특징으로 하는 전기 접점 재료의 제조방법.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 제조방법으로 제조된 전기 접점 재료.