KR102013824B1 - 전기접점 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

볼 밀 방식을 이용하여 Ni 분말 및 Ag 분말을 혼합하여 볼 밀 분말을 준비하는 단계; 및 저온 분사 공정을 통해 상기 볼 밀 분말을 기판 상에 분사하여 코팅층을 형성시키는 단계;를 포함하고, 상기 볼 밀 분말은 중량%로, Ni: 30% 초과, 60% 미만, 잔부 Ag 및 불가피한 불순물을 포함하는 전기접점 제조방법이 소개된다.

Description

전기접점 및 그 제조방법{ELECTRICAL CONTACT AND MANUFACTURING METHOD OF THE SAME}
본 발명은 전기접점 및 그 제조방법에 관한 것이다. 구체적으로, 볼 밀 방식을 통해 준비된 혼합 분말을 저온 분사 공정을 통해 기판 상에 코팅시킴으로써 내용착성 및 내마모성이 높은 전기접점 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 전기접점 재료는 차단기, 개폐기(스위치, 릴레이) 등의 전기기구나 전기설비 등에서 사용되며, 회로의 개폐 또는 접촉을 기계적으로 제어하는 전기 접촉 소자 및 가공재를 말한다. 전기접점 재료는 회로의 개폐 시에 발생하는 아크로 인한 고압, 고열의 환경에서 전기접점의 이상 마모, 용착, 교락 등의 문제가 발생하는 것을 방지해야 한다.
이러한 전기접점 재료는 사용전류 영역 및 특성에 따라 고부하용 접점, 중부하용 접점, 경부하용 접점 등으로 분류되고, 재질에 따라 텅스턴(W)계 접점, 은-산화물 접점, 귀금속 접점 등으로 분류된다. 전기접점 재료 중 전장 및 가전 분야에서 사용되는 경부하용 접점은 은(Ag)의 내용착성, 내마모성을 보완하면서 가공성을 향상시킨 은-니켈 (Ag-Ni)계 접점재료가 가장 널리 사용되고 있다.
은-니켈계 접점재료는 니켈이 은에 고용되지 않기 때문에 분말야금법으로 제조되고 있다. 사용 전류가 증가하면 Ni-산화물계가 널리 사용되며, 이 중에서 일반적으로 사용되는 접점은 은-산화카드뮴계(Ag-CdO)이다. 은-산화카드뮴계 접점재료는 특정 온도 이상에서 승화 특성을 아크 발생시 발생하는 잠열을 흡수하여 대기 중으로 열을 분산시키는 특성을 가지고 있기 때문에 내용착성 및 내아크성을 향상시켜 대표적인 전기접점 재료로 사용되어 왔다.
그러나 이러한 은-산화카드뮴계 접점재료는 환경 규제 문제로 인해 사용시 제한이 되는 단점이 있다. 따라서 Ni의 함량을 증대하여 소재 단가 하락뿐만 아니라 Ag-산화물계 접점재료의 대체가 가능하게 된다.
최근에는 개폐기의 제조단가에서 은-니켈계 접점재료가 차지하는 비율을 감소하기 위해 접점재료 중 니켈 함량을 증가하고 있으나 제조 시, 분말 성형, 소결, 냉간 압연 및 열처리, 열간 압연 및 열처리, 압출로 스트립 제조, 냉간 압연을 두께 조절 및 절단 사용 등 대단히 복잡한 공정을 거쳐 제조하게 된다. 이를 보완하기 위해서는 은-니켈계 전기접점에서 황동(Cu-Zn) 또는 구리(Cu)로 구성된 대재와 용접되는 부분을 도전성 및 용접성이 우수한 구리(Cu) 또는 구리-니켈(Cu-Ni) 합금과 클래드하여 은-구리(Ag-Cu) 클래드 스트립을 제조할 수 있다.
볼 밀 방식을 통해 준비된 혼합 분말을 저온 분사 공정을 통해 기판 상에 코팅시킴으로써 내용착성 및 내마모성이 높은 전기접점 및 그 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 전기접점 제조방법은 볼 밀 방식을 이용하여 Ni 분말 및 Ag 분말을 혼합하여 볼 밀 분말을 준비하는 단계; 및 저온 분사 공정을 통해 상기 볼 밀 분말을 기판 상에 분사하여 코팅층을 형성시키는 단계;를 포함하고, 상기 볼 밀 분말은 중량%로, Ni: 30% 초과, 60% 미만, 잔부 Ag 및 불가피한 불순물을 포함한다.
상기 코팅층을 형성시키는 단계에서, 상기 코팅층의 단면을 기준으로, 상기 Ni의 면적 분율이 30% 이상이 되도록 형성시킬 수 있다.
상기 Ni 분말 및 Ag 분말은 각각 평균 입경이 5 내지 50㎛일 수 있다.
상기 볼 밀 분말을 준비하는 단계에서, 상기 볼 밀 분말의 평균 입경이 5 내지 45㎛일 수 있다.
상기 코팅층을 형성시키는 단계에서, 상기 볼 밀 분말을 200 내지 700℃의 불활성 기체와 함께 분사할 수 있다.
상기 코팅층을 형성시키는 단계에서, 상기 볼 밀 분말을 불활성 기체와 함께 20 내지 40Bar의 압력으로 분사할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 전기접점은 기판; 및 상기 기판 상에 형성되며, Ag 및 Ni을 포함하는 접점부;를 포함하고, 상기 접점부의 단면을 기준으로, 상기 Ni의 면적 분율이 30% 이상이다.
상기 접점부의 단면을 기준으로, 상기 Ni간의 평균 거리는 10㎛ 이하일 수 있다.
상기 접점부의 경도는 120Hv 이상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 전기접점 제조방법은 볼 밀 방식을 통해 준비된 혼합 분말을 저온 분사 공정을 통해 기판 상에 코팅시킴으로써 Ni의 면적 분율이 30% 이상인 효과를 기대할 수 있다.
코팅층의 Ni의 면적 분율이 증대됨에 따라 내용착성 및 내마모성이 높은 효과를 기대할 수 있다.
도 1은 저온 분사 공정에 이용되는 저온 스프레이 시스템의 모식도를 나타내는 도면이다.
도 2는 비교예에 의한 코팅층의 단면 조직을 나타낸 사진이다.
도 3은 본 발명에 의한 발명예의 코팅층 단면 조직 사진을 나타낸 사진이다.
제1, 제2 및 제3 등의 용어들은 다양한 부분, 성분, 영역, 층 및/또는 섹션들을 설명하기 위해 사용되나 이들에 한정되지 않는다. 이들 용어들은 어느 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션을 다른 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션과 구별하기 위해서만 사용된다. 따라서, 이하에서 서술하는 제1 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 제2 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션으로 언급될 수 있다.
여기서 사용되는 전문 용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 “포함하는”의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
어느 부분이 다른 부분의 "위에" 또는 "상에" 있다고 언급하는 경우, 이는 바로 다른 부분의 위에 또는 상에 있을 수 있거나 그 사이에 다른 부분이 수반될 수 있다. 대조적으로 어느 부분이 다른 부분의 "바로 위에" 있다고 언급하는 경우, 그 사이에 다른 부분이 개재되지 않는다.
다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 특별히 언급하지 않는 한 %는 중량%를 의미하며, 1ppm 은 0.0001중량%이다.
이하, 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
전기접점 제조방법
본 발명의 일 실시예에 의한 전기접점 제조방법은 볼 밀 방식을 이용하여 Ni 분말 및 Ag 분말을 혼합하여 볼 밀 분말을 준비하는 단계 및 저온 분사 공정을 통해 볼 밀 분말을 기판 상에 분사하여 코팅층을 형성시키는 단계를 포함하고, 볼 밀 분말은 중량%로, Ni: 30% 초과, 60% 미만, 잔부 Ag 및 불가피한 불순물을 포함한다.
먼저, 볼 밀 분말을 준비하는 단계에서는 볼 밀(ball mill) 방식을 이용하여 Ni 분말 및 Ag 분말을 혼합한다. 평균 입경이 5 내지 50㎛인 Ni 분말과 평균 입경이 5 내지 50㎛인 Ag 분말을 각각 준비할 수 있다.
볼 밀 시, 지르코니아 비드가 이용될 수 있다. Ni 분말 및 Ag 분말을 단순 혼합하여 저온 분사를 통해 코팅층을 형성시키는 경우보다 볼 밀 방식을 통해 Ni 분말 및 Ag 분말을 혼합한 볼 밀 분말을 이용하여 코팅층을 형성시킴으로써 Ag에 비해 적층 효율이 낮은 Ni이 코팅층 내에 충분히 포함되도록 할 수 있다.
볼 밀 방식을 통해 볼 밀 분말의 평균 입경이 5 내지 45㎛일 수 있다.
다음으로, 볼 밀 분말을 준비하는 단계에서는 Ag 도금층이 형성된 Ni 분말을 Ag 분말과 혼합한다. 이에 따라 중량%로, Ni: 30% 초과, 60% 미만, 잔부 Ag 및 불가피한 불순물을 포함하는 볼 밀 분말을 제조한다.
Ni의 함량이 30 중량% 이하일 경우, 내용착성 및 내마모성의 증대 효과가 충분하지 않을 수 있다. 반면, Ni의 함량이 60 중량% 이상일 경우, 경부하용 접점에 적합하지 않을 수 있다. 구체적으로 볼 밀 분말은 Cu를 더 포함할 수 있다.
Ni 분말 및 Ag 분말을 단순 혼합하여 저온 분사를 통해 코팅층을 형성시키는 경우보다 Ag 도금층이 형성된 Ni 분말을 Ag 분말과 혼합한 볼 밀 분말을 이용하여 코팅층을 형성시킴으로써 Ag에 비해 적층 효율이 낮은 Ni이 코팅층 내에 충분히 포함되도록 할 수 있다.
다음으로, 코팅층을 형성시키는 단계에서는 볼 밀 분말을 저온 분사 방식을 이용하여 기판에 분사하여 코팅층을 형성시킨다. 코팅층은 전기접점으로 작용할 수 있다. 저온 분사 방식이 이용됨으로써 볼 밀 분말의 용융 없이 고상 상태로 기판 상에 적층하기 대문에 산화물이 형성되지 않고, 소재의 특성이 그대로 유지될 수 있다.
분사하는 과정에서 볼 밀 분말과 함께 분사하는 불활성 기체의 온도 및 압력 조건을 조절할 수 있다. 구체적으로, 볼 밀 분말을 200 내지 700℃의 불활성 기체와 함께 분사할 수 있다. 또한, 볼 밀 분말을 불활성 기체와 함께 20 내지 40Bar의 압력으로 분사할 수 있다. 상기와 같은 온도 또는 압력 조건을 만족시킴으로써 볼 밀 분말의 분사에 의한 코팅층이 기판 상에 견고하게 형성될 수 있다.
불활성 기체는 종류에 구애 되지 않으며, 구체적으로, 질소 기체, 헬륨 기체, 아르곤 기체 중에서 1종 이상을 포함할 수 있다.
이 외에도, 볼 밀 분말과 불활성 기체가 분사되는 분사 노즐과 기판 상의 거리, 분사 노즐의 이송 속도, 볼 밀 분말 송급량 등을 제어할 수 있다.
구체적으로, 분사 노즐과 기판 상의 거리는 10 내지 50mm 일 수 있고, 분사 노즐의 이송 속도는 10 내지 300mm/sec일 수 있으며, 볼 밀 분말 송급량은 1 내지 7 rpm일 수 있다. 볼 밀 분말 송급량은 0.5~5kg/hr를 의미할 수 있다. 볼 밀 분말 송급량은 코팅에 투입되는 분말 양으로서, 코팅 적층효율에 따라 코팅되는 양은 변할 수 있다.
구체적으로, 도 1을 통해 저온 분사 공정을 설명한다. 도 1과 같이, 분말 송급장치를 통해 초음속 노즐로부터 볼 밀 분말이 분사되어 기판에 코팅층이 형성될 수 있다. 가스 컨트롤 장치는 고압가스를 공급받아 초음속 노즐로 분말 송급가스와 주가스를 공급한다. 분말 송급가스는 볼 밀 분말을 분사하기 위한 가스이고, 주가스는 온도를 조절하기 위한 가스로서 초음속 노즐을 통해 볼 밀 분말과 함께 분사되기 전에 가스 히터를 거쳐 200 내지 700℃로 온도로 가열된다.
한편, 볼 밀 분말은 분말 송급장치로부터 초음속 노즐로 분사되기 이전에 분말 예열장치를 거쳐 예열이 이루어질 수 있다.
코팅층의 단면을 기준으로, Ni의 면적 분율은 30% 이상일 수 있다. Ni의 면적 분율이 30% 미만일 경우, 실제로 적층된 Ni이 너무 적어 내용착성 및 내마모성의 증대 효과가 충분하지 않을 수 있다.
전기접점
본 발명의 일 실시예에 의한 전기접점은 기판 및 기판 상에 형성되며, Ag 및 Ni을 포함하는 접점부를 포함하고, 접점부의 단면을 기준으로, Ni의 면적 분율이 50% 이상이다.
접점부는 본 발명의 일 실시예에 의한 전기접점 제조방법으로 제조된 코팅층으로 구성될 수 있다.
코팅층에 대한 설명은 상기의 설명과 중복되므로 생략한다.
구체적으로, 접점부는 접점부의 단면을 기준으로, Ni간의 평균 거리가 10㎛ 이하일 수 있다. Ni간의 평균 거리라 함은 도 3을 참고로 하여 어두운 색으로 나타나는 Ni 결정들 간의 거리를 평균치로 나타낸 것을 의미할 수 있다. Ni이 얼마나 균일하게 분포되었는지를 나타내는 지표가 될 수 있다.
접점부에서 Ni의 면적 분율이 높을 뿐만 아니라 Ni간의 평균 거리가 10㎛ 이하로 균일하게 분산됨으로써 접점부 전체에 대해 내용착성 및 내마모성이 높은 효과를 기대할 수 있다.
이에 따른 접점부의 경도는 150Hv 이상일 수 있다.
이하 본 발명의 구체적인 실시예를 기재한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명의 구체적인 일 실시예일뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예
비교예는 Ni 분말 및 Ag 분말을 단순 혼합하여 볼 밀 분말을 준비하였다. Ag 분말의 평균 입도와 Ni 분말의 평균 입도는 5 내지 31㎛이었다. 볼 밀 분말의 조성은 하기의 표 1과 같았다. 저온 분사 공정을 이용한 코팅층의 적층을 위하여 두께 1mm 구리 판재 표면을 벨트 그라인더로 연마 후, 저온 분사 공정을 이용하여 코팅층을 적층하였다. 저온 분사 공정 시의 조건은 하기의 표 2와 동일하다.
발명예는 지르코니아 비드를 이용하여 Ni 분말 및 Ag 분말을 볼 밀 방식으로 혼합함으로써 볼 밀 분말을 준비하였다. 이에 의해 제조된 볼 밀 분말의 평균 입도는 6 내지 29㎛이었다. 볼 밀 분말의 조성은 하기의 표 1과 같았다. 마찬가지로 이후의 공정은 비교예와 동일한 조건으로 진행하였다.
면적 분율의 경우, 전자 현미경을 이용하여 Ni이 차지하는 면적 분율을 측정하였다. 경도의 경우, 비커스 경도기를 이용하여 측정하였다.
구분 혼합 분말 면적 분율(%) 경도(Hv) 비고
비교예 Ag-30wt%Ni 3 141 Ag 분말+Ni 분말 단순혼합
발명예 Ag-40wt%Ni 38 127 Ag 분말+Ni 분말 볼 밀 혼합
공정 조건
불활성 가스 종류 질소
불활성 가스 온도(℃) 600
불활성 가스 압력(Bar) 30
분말 예열 온도(℃) 상온
분사 노즐 거리(mm) 30
분사 노즐 이송 속도(mm/sec) 20
볼 밀 분말 송급량(rpm) 4
상기의 표 1에서 확인할 수 있는 바와 같이, 코팅층의 경도는 동등한 수준으로 나타났다.
그러나 비교예의 경우, 표 1 과 도 2와 같이, 코팅층 단면의 Ni 면적 분율이 3%에 그쳤던 것에 반해, 발명예의 경우, 표 1 과 도 3과 같이, Ni 면적 분율이 38%나 되었다.
발명예의 경우, 비교예보다 코팅층 단면의 Ni 면적 분율이 월등하게 높게 나타나는 결과를 확인할 수 있다.
본 발명은 상기 구현예 및/또는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 구현예 및/또는 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (9)

  1. 볼 밀 방식을 이용하여 Ni 분말 및 Ag 분말을 혼합하여 볼 밀 분말을 준비하는 단계; 및
    저온 분사 공정을 통해 상기 볼 밀 분말을 기판 상에 분사하여 코팅층을 형성시키는 단계;를 포함하고,
    상기 볼 밀 분말은 중량%로, Ni: 30% 초과, 60% 미만, 잔부 Ag 및 불가피한 불순물을 포함하고,
    상기 코팅층을 형성시키는 단계에서,
    상기 코팅층의 단면을 기준으로, 상기 Ni의 면적 분율이 30% 이상이 되고, Ni 결정들 간의 평균 거리가 10㎛ 이하가 되도록 형성시키는 전기접점 제조방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 Ni 분말 및 Ag 분말은 각각 평균 입경이 5 내지 50㎛인 전기접점 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 볼 밀 분말을 준비하는 단계에서,
    상기 볼 밀 분말의 평균 입경이 5 내지 45㎛인 전기접점 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 코팅층을 형성시키는 단계에서,
    상기 볼 밀 분말을 200 내지 700℃의 불활성 기체와 함께 분사하는 전기접점 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 코팅층을 형성시키는 단계에서,
    상기 볼 밀 분말을 불활성 기체와 함께 20 내지 40Bar의 압력으로 분사하는 전기접점 제조방법.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
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