KR102194267B1

KR102194267B1 - 저항 합금, 그로부터 제조된 구성 요소 및 이의 제조방법

Info

Publication number: KR102194267B1
Application number: KR1020167000636A
Authority: KR
Inventors: 다니엘 주커만
Original assignee: 이자벨렌휘테 호이슬러 게엠베하 운트 코. 카게
Priority date: 2013-06-19
Filing date: 2014-06-18
Publication date: 2020-12-22
Also published as: EP3011069B1; WO2014202221A1; ES2733024T3; JP6467408B2; DE102013010301A1; EP3011069A1; US20160115570A1; KR20160021195A; CN105308204A; CN105308204B; US20200224293A1; JP2016528376A

Abstract

본 발명은 전기 저항기, 특히 낮은 옴 전류 측정 저항기를 위한 저항 합금(3)에 관련된 것으로서, 구리 구성 요소, 망간 구성 요소 그리고 니켈 구성 요소를 포함한다. 망간 구성 요소는 23 내지 28% 의 질량 분율을 가지고, 니켈 구성 요소의 경우 9 내지 13%의 질량 분율을 가지는 것이 바람직하다. 합금화되는 구성 요소의 질량 분율은, 저항 합금(3)이 구리에 대하여 20℃ 에서 ±1 μV/K 미만의 낮은 열기전력을 갖도록 서로 맞추어진다. 본 발명은 나아가 상기 저항 합금으로부터 제조된 구성 요소 및 이의 제조 방법을 포함한다.

Description

저항 합금, 그로부터 제조된 구성 요소 및 이의 제조방법{Resistor alloy, component produced therefrom and production method therefor}

본 발명은 전기 저항기를 위한 저항 합금, 보다 상세하게는 낮은 옴(low-Ohm) 전류 측정 저항기에 관한 것이다. 본 발명은 또한 이 저항 합금으로부터 제조된 구성요소 및 이의 제조방법을 포함한다.

구리-망간-니켈 합금은 정밀 저항기, 특히 낮은 옴 전류 측정 저항기(“분로기”)를 위한 재료로 이미 오래 전부터 사용되어 왔다. 이러한 구리-망간-니켈 합금의 예는, 출원인이 Manganin® (예컨대, Cu₈₄Ni₄Mn₁₂) 이라는 상표명으로 판매하는, 구리의 질량 분율 82% - 84%, 니켈의 질량 분율 2% - 4%, 그리고 망간의 질량 분율 12% - 15%을 가진, 저항 합금이다. 이러한 구리-망간-니켈 합금들은, 예컨대 비 전기 저항에 있어 낮은 온도 계수, 구리에 대한 낮은 열기전력, 그리고 장시간 높은 안정성을 가진 전기 저항과 같은, 정밀 저항기를 위한 저항 합금의 요건을 모두 충족한다. 또한, 알려진 구리-망간-니켈 합금은 우수한 기술적 특성, 특히 그러한 구리-망간-니켈 합금이 선, 리본, 호일 및 저항기 구성요소의 형태로 작업할 수 있게 하는, 우수한 작업성을 가진다. 그러나 알려진 구리-망간-니켈 합금의 단점은 0.5 (Ω·mm²)/m 이하라는, 상대적으로 낮은 전기저항도에 한정된다는 것이다.

보다 높은 비 전기 저항을 가진 것으로는 예컨대 니켈-크롬 합금이 알려져 있으나, 이들 역시 다양한 단점을 보인다. 한 편으로 니켈-크롬 합금은 구리-망간-니켈 합금보다 상당히 비싸다. 다른 한 편으로는 생산의 관점에서 볼 때 여러 면에서 다루기가 어렵다. 예컨대 니켈-크롬 합금의 고온 작업 가능성은 상대적으로 낮으며, 특정 전기-물리적 재료 특성을 얻기 위해서는 복잡한 열처리가 필수적이다. 또한, 용융 과정에서의 작업 온도는 니켈-크롬 합금의 경우가 구리-망간-니켈 합금의 경우보다 약 500k 더 높으며, 이는 보다 높은 에너지 비용 및 작업 도구의 재료적 소모로 이어진다. 게다가, 니켈-크롬 합금의 산에 대한 우수한 저항성은, 한편으로는 바람직한 것이기도 하지만, 에칭으로 저항기 구조를 생산함에 있어 중대한 문제를 야기하며, 열 처리로 인해 발생한 산화물을 산처리로써 제거하는 과정을 더욱 복잡하고 독성 없는 생산 단계가 되게 한다.

또 알려진 것으로는 1 (Ω·mm²)/m 이라는 비 전기 저항을 가지며 따라서 비 전기 저항의 낮은 온도 계수의 요건을 충족하는, 구리-망간-니켈-알루미늄 합금 29-5-1이 있다. 그러나 이 저항 합금은 구리에 대하여 20℃에서 +3 μV/K 라는 높은 열기전력을 가지며, 따라서 고장 전류가 높아 정밀 특정에 대해 적용하기에는 부적합하다.

또 언급되어야 할 것으로, 참고적인 기술이 종래의 기술 문헌 DE 1 092 218 B, US 3 985 589, JP 62202038 A 및 EP 1 264 906 A1에도 있다.

마지막으로, DE 1 033 423 B는 일반적 유형의 저항 합금을 공개하고 있다. 그러나, 이와 같이 알려진 저항 합금은 그 양과 관련하여 -2 μV/K 라는, 상대적으로 높은 열기전력을 가지고 있다는 단점이 있다.

따라서, 발명의 기저를 이루는 목적은 구리-망간-니켈에 기초한, 가능한 한 최고의 비 전기 저항과 구리에 대하여 가능한 한 낮은 열기전력, 전기 저항의 낮은 온도 계수를 갖는, 그리고 시간이 지남에 따라 높은 비 전기 저항 안정성을 갖는, 저항 합금 및 이러한 특성들을 도입부에서 기술한, 구리-망간-니켈 합금의 우수한 기술적 성격(예컨대 작업가능성)과 결합하고자 함에 있다.

상기 목적은 본 발명의 주 청구항에 따른 발명에 의한 저항 합금으로써 달성된다.

본 발명에 따른 저항 합금은 먼저, 도입부에서 언급한 기존의 구리-망간-니켈 합금에 따라, 구리 구성 요소, 망간 구성 요소, 그리고 니켈 구성 요소를 가진다. 본 발명은 망간 구성 요소가 23%에서 28%의 질량 분율을, 니켈 구성 요소가9% ~ 13%의 질량 분율을 가진다는 점에서 구별된다. 실시를 통해 그러한 구리-망간-니켈에 기초한 저항 합금이 위에서 언급한 요건을 충족하였다.

다양한 합금 구성요소의 질량 분율은, 구리에 대한 열기전력이 20℃에서 ±1 μV/K, ±0.5 μV/K 미만, 또는 심지어 ±0.3 μV/K 미만의 낮은 열기전력을 가지도록 서로 맞추어진다.

예를 들어, 망간 구성요소의 질량 분율은, 예컨대 24%-27%, 25%-26%, 23%-25%, 23%-26%, 23%-27%, 24%-28%, 25%-28%, 26%-28%, 또는 27%-28%의 범위가 될 수 있다. 24.5%-25.5%의 망간 구성요소 질량 분율이 특히 유리하다.

한편, 니켈 구성요소의 질량 분율은, 예컨대 9%-12%, 9%-11%, 9%-10%, 10%-13%, 11%-13%, 12%-13%, 10%-12%, 또는 11%-12%의 범위가 될 수 있다.

게다가, 질량 분율 3%까지의 추가적인 주석 구성요소는 비 전기 저항의 온도에 대한 안정성을 향상시키는 데 기여하는 것으로 나타났다. 그러므로 발명에 따른 저항 합금은 또한 질량 분율 최대 3%까지의 주석 구성요소를 가진다.

뿐만 아니라, 실시를 통해 질량 분율 1%까지의 규소 구성요소 역시 비 전기 저항의 온도에 대한 안정성을 향상시키는 데 기여하는 것으로 나타났다. 그러므로 발명에 따른 저항 합금은, 주석 구성요소에 더하여 또는 주석 구성요소를 대신하여, 질량 분율 최대 1%까지의 구성요소를 가진다.

또한 나아가, 실시를 통해 질량 분율 0.3%까지의 추가적인 마그네슘 구성요소는 석출 경화 효과의 결과인 취화(embrittlement)를 방지하는 데 기여하는 것으로 나타났다. 그러므로 발명에 따른 저항 합금은 또한, 주석 구성요소 및/또는 규소 구성요소 또는 이들 구성요소를 대신하여, 질량 분율 최대 0.3%까지의 마그네슘 구성요소를 가진다.

본 발명에 따른 저항 합금의 바람직한 구현예는 Cu₆₅Ni₁₀Mn₂₅ 으로서, 구리 질량 분율 65%, 니켈 질량 분율 10% 및 망간 질량 분율 25%이다.

본 발명에 따른 저항 합금의 바람직한 구현예는 Cu₆₄Ni₁₀Mn₂₅Sn₁ 으로서, 구리 질량 분율 64%, 니켈 질량 분율 10%, 망간 질량 분율 25% 그리고 주석 질량 분율 1%이다. 그러나 주석의 질량 분율은 더 적을 수 있으며, 이 경우 그 감소된 부분은 구리의 질량 분율을 그만큼 증가시켜 균형을 맞춘다.

본 발명에 따른 저항 합금의 또 다른 바람직한 구현예는 Cu₆₂Ni₁₁Mn₂₇ 으로서, 구리의 경우 62%, 니켈의 경우 11%, 그리고 망간의 경우 27%의 질량 분율을 가진다.

본 발명에 따른 저항 합금의 또 다른 바람직한 구현예는 Cu₆₁Ni₁₁Mn₂₇Sn₁ 으로서, 구리의 경우 61%, 망간의 경우 27%, 그리고 니켈의 경우 11%, 그리고 주석의 경우 1%의 질량 분율을 가진다. 그러나 주석의 질량 분율은 더 적을 수 있으며, 이 경우 그 감소된 부분은 구리의 질량 분율을 그만큼 증가시켜 균형을 맞춘다.

본 발명에 따른 저항 합금에 있어, 비 전기 저항의 범위는 0.5 (Ω·mm²)/m 에서 2 (Ω·mm²)/m 까지 이다.

게다가, 본 발명에 따른 저항 합금의 비 전기 저항은 ±0.5% 또는 ±0.25% 미만의 변화폭 및 장시간에 걸쳐 높은 안정성을 가지는데, 3000시간 이하에서 그리고 적어도 140℃보다 높은 온도에서는 시효가 가속된다.

또한, 본 발명에 따른 저항 합금의 비 전기 저항은 구리에 대하여 낮은 열기전력을 가지는데, 이는 20℃에서 ±1 μV/K, ±0.5 μV/K 미만 또는 심지어 ±0.3 μV/K 미만이 된다.

뿐만 아니라, 비 전기 저항은, 특히 +20℃ 에서 +60℃까지의 온도 범위에서, ±50·10^-6K^-1, ±35·10^-6K^-1, ±30·10^-6K^-1, 또는 ±20·10^-6K^-1 미만의 낮은 온도 계수를 가지고 있어, 온도 면에서 안정적이다.

또 언급되어야 할 것으로, 본 발명에 따른 저항 합금의 전기적 특성과 관련하여, 저항 합금의 온도에 따른 저항 변화를 나타내는 저항/온도 그래프(curve)에서, 두 번째로 0의 값을 나타내는 지점이 +20℃, +30℃, 또는 +40℃ 초과 및/또는 +110℃, +100℃, 또는 +90℃ 미만이 된다.

또 언급되어야 할 것으로, 본 발명에 따른 저항 합금의 기계적 특성과 관련하여, 기계적 인장 강도는 적어도 500 MPa, 550 MPa, 또는 580 MPa가 된다.

또한, 본 발명에 따른 저항 합금은 적어도 150 MPa, 200 MPa, 또는 260 MPa의 항복 강도(yield strength)를 가지며, 파단 신장은 30%, 35%, 40% 또는 심지어 45%보다 크다.

또 언급되어야 할 것으로, 본 발명에 따른 저항 합금의 기술적 특성과 관련하여, 저항 합금은 연납(soft-soldered) 및/또는 경납(hard-soldered) 가능성을 가지는 것이 바람직하다.

뿐만 아니라, 본 발명에 따른 저항 합금은 매우 손쉽게 작업할 수 있는 것이 바람직하며, 신선 작업(wire-drawing)에서 적어도 φ = -4.6 의 로그 변형도(logarithmic deformation degree)를 갖는다.

본 발명에 따른 저항 합금은 다양한 전달의 형태, 예를 들어 선(예컨대 단면이 원형인 선, 납작한 선), 리본, 시트(sheet), 막대(rod), 튜브 또는 포일(foil)의 형태로 제조될 수 있다. 그러나, 발명은 위에서 언급한 형태로 한정되지 않는다.

본 발명은 추가적으로, 본 발명에 따른 저항 합금으로부터 제조된 저항 소자를 가진, 전기적 또는 전자적 구성요소를 포함한다. 예컨대, 이는 저항기, 특히 그 자체가 EP 0 605 800 A1로 알려진, 낮은 옴 전류 측정 저항기가 될 수 있다.

마지막으로, 본 발명은, 상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 저항 합금의 설명에 상응하는 제조 방법을 포함한다.

본 발명에 따른 제조 방법의 범위 내에서, 저항 합금은 인위적(artificial) 열 시효 처리를 거칠 수 있는데, 이 경우 저항 합금은 초기(starting) 온도에서 시효 온도까지 가열된다. 이 공정은 저항 합금을 여러 번 시효 온도까지 가열하였다가 초기 온도까지 식히는 등 시효 처리의 범위 내에서 수회 반복될 수 있다. 시효 온도는, 예컨대 +80℃ 에서 300 ℃ 사이가 될 수 있고, 초기 온도는 +30℃ 에서 +20℃ 가 바람직하다.

나아가 본 발명의 또 다른 이점은 종속항에서 특징지워지거나, 이하에서 도면과 함께 발명의 바람직한 구현예에 대한 설명을 통해 보다 세부적으로 설명될 것이다.

본 발명에 따른 저항 합금은 망간 구성 요소가 23%에서 28%의 질량 분율을, 니켈 구성 요소가9% ~ 13%의 질량 분율을 가지므로써, 비 전기 저항의 온도에 대한 안정성을 향상시키는 데 기여하며, 또한 질량 분율 0.3%까지의 추가적인 마그네슘 구성요소로서 석출 경화 효과의 결과인 취화(embrittlement)를 방지하는 데 기여하고 있다.

도 1은 구리-망간-니켈 합금의 도해(phase-diagram)이며, 발명에 해당하는 부분이 표시되어 있다.
도 2는 본 발명에 따른 전류-측정 저항기의 구성의 예를 보여 주며, 이는 본 발명에 따른 저항 합금으로부터 제조된 저항 소자를 포함한다.
도 3은 본 발명에 따른 저항 합금의 각기 다른 구현예의 경우에, 온도에 따른 비 전기 저항을 나타내는 도표이다. 그리고
도 4는 본 발명에 따른 저항 합금의 시간에 따른 안정성을 나타내는 도표이다.

도 1은 구리-망간-니켈 합금의 도표인데, 구리의 질량 분율은 왼쪽 위 축에, 니켈의 질량 분율은 오른쪽 위 축에 나타나 있다. 망간의 질량 비율은 아래쪽 축에 나타나 있다.

한편, 상기 도표에서 빗금 친 형태의 구역(zone) 1이 나타나는데, 이 부분에서 저항 합금이 석출 경화 현상을 나타낸다.

다른 한 편, 상기 도표에는 α = 0 으로 지정된 선분 2가 있는데, 이 선분 위에서 저항 합금의 온도 계수는 0과 동일한 것으로 나타나며, 이는 저항 합금이 이 선분 위에서는 온도의 영향을 받지 않고 위와 같은 비 전기 저항의 값을 나타낸다는 것을 의미한다.

마지막으로, 상기 도표에는 구역(region) 3이 있는데, 이는 발명에 따른 저항 합금의 특징을 나타내주며, 이 구역 3에서의 망간의 질량 비율은 23 내지 28%이며, 이 구역 3에서의 니켈의 질량 비율은 9 내지 13%이다.

도 2는 본 발명에 따른 전류-측정 저항기 4의 사시도를 나타낸 것으로서, 그 자체가 EP 0 605 800 A1 으로부터 알려져 있어, 반복을 피하기 위해서 위 특허 출원의 내용은 전체가 본 설명에 통합되어 있음을 밝힌다.

전류-측정 저항기(4)는 크게 구리로 된 두 개의 평판형 연결부(5, 6)로 이루어지고, 그 사이에 본 발명에 따른 저항 합금으로 제조된 저항 소자(7)가 배치되며, 이 구성 요소의 합금은 예컨대 Cu₆₅Ni₁₀Mn₂₅ 이 될 수 있다.

도 3은 비 저항 변화 DR/R₂₀의 온도에 따른 상대적 변화를 보여준다. 이를 통하여 보면, 다양한 예시적 저항 합금은 각각 영점 8, 9 또는 10을 두 번째로 통과하는데, 영점 9가 T_zero2 = 75℃ 부근에서 발생하는 반면, 영점 8은 T_zero1 = 43℃ 부근인 지점에서 발생하는 것이 명백하다.

마지막으로, 도 4는 본 발명에 따른 저항 합금의 장기적인 안정성을 보여준다. 이를 통하여 보면 3000시간 동안의 상대적 저항 변화 dR은 0.25% 에 상당히 미달한다는 것이 명백하다.

본 발명은 상기 설명된 바람직한 실시예dfh 제한되지 않는다. 오히려, 본 발명은 본 발명의 개념을 이용한 복수의 변인 및 변형이 가능하며, 따라서 이들 역시 보호의 범위에 포함된다. 또한, 본 발명의 종속항은 그 종속되는 대상 청구항과 독립하여, 즉, 예를 들어, 주청구항의 특성을 특정함이 없이도, 종속항의 목적물 및 특징(feature)에 대한 보호도 주장하는 것으로 본다.

1 : 석출 경화 구역
2 : α = 0 인 선분 (온도 안정성)
3 : 본 발명에 따른 합금화 구역
4 : 전류 측정 저항기
5 : 연결부
6 : 연결부
7 : 저항 소자
8 : 두 번째 영점
9 : 두 번째 영점
10 : 두 번째 영점

Claims

전류 저항기를 위한 저항 합금(3)이,
a) 구리 구성 요소,
b) 질량분율 23 내지 28%의 망간 구성 요소, 및
c) 질량분율 9 내지 13%의 니켈 구성 요소를 가지며,
d) 여기서, 상기 망간 구성 요소 및 니켈 구성 요소의 질량분율은 저항 합금(3)이 구리에 대하여 20℃에서 ±1 μV/K 미만의 낮은 열 기전력을 가지도록 선택되고,
e) 여기서,
e1) 니켈 구성 요소의 질량 분율은 10%이고, 망간 구성 요소의 질량 분율은 25%이고, 주석 구성 요소의 질량 분율은 1% 이고, 그 나머지 질량 분율은 구리 구성 요소로 하고, 또는
e2) 니켈 구성 요소의 질량 분율은 11%이고, 망간 구성 요소의 질량 분율은 27%이고, 주석 구성 요소의 질량 분율은 1%이고, 그 나머지 질량 분율은 구리 구성 요소로 하는
저항 합금(3).
제 1 항에 있어서,
아래 성분 중 어느 하나 이상을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 저항 합금(3):
a) 질량분율 최대 3%까지 포함하는 주석 구성 요소,
b) 질량분율 최대 1%까지 포함하는 규소 구성 요소,
c) 질량분율 최대 0.3%까지 포함하는 마그네슘 구성 요소.
제 1 항에 있어서,
a) 0.5 (Ω·mm²)/m를 초과하고 2.0 (Ω·mm²)/m 미만의 비 전기저항을 가지며, 그리고
b) ±0.5% 미만의 상대적 변화를 나타내는 시간 동안, 높은 안정성을 갖는 비 전기저항을 가지며, 그리고
c) 구리에 대하여 20℃ 에서 ±0.5 μV/K 미만의 낮은 비 열기전력을 가지며, 그리고
d) ±50·10^-6 K^-1 미만의 낮은 온도 계수를 갖는 비 전기저항을 가지며, 그리고
e) 온도에 따른 상대적인 저항 변화 (DR/R₂₀)를 갖는 저항/온도 곡선으로서, 두 번째 영점 (8, 9, 10)을 +20℃ 초과에서 나타나는 저항/온도 곡선을 가지는 것을 특징으로 하는 저항 합금(3).
제 1 항에 있어서,
a) 적어도 500 MPa의 기계적 인장 강도를 가지며, 그리고
b) 적어도 150 MPa의 항복 강도를 가지며, 그리고
c) 적어도 30%의 파단 신장률을 가지는 것을 특징으로 하는 저항 합금(3).
제 1 항에 있어서,
a) 상기 저항 합금(3)은 경납 또는 연납될 수 있으며, 그리고
b) 상기 저항 합금(3)은 신선 작업의 경우 적어도 φ = -4.6 의 로그 변형도(logarithmic deformation degree)를 만족하는 용이한 작업 가능성을 가지는 것을 특징으로 하는 저항 합금(3).
제 1 항에 있어서,
a) 와이어의 형태,
b) 리본의 형태,
c) 시트의 형태,
d) 막대(rod)의 형태,
e) 튜브의 형태, 또는
f) 포일(foil)의 형태, 중 어느 하나의 전달 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 저항 합금(3).
제 1 항에 따른 저항 합금(3)으로부터 제조된 저항 소자를 가지는 것을 특징으로 하는 전기적 구성요소.
전기 저항기(4)를 위한 저항 합금(3)을 제조하기 위한 제조 방법이,
a) 구리 구성 요소,
b) 질량분율 23 내지 28%의 망간 구성 요소, 및
c) 질량분율 9 내지 13%의 니켈 구성 요소를 가지며,
d) 여기서, 상기 망간 구성 요소 및 니켈 구성 요소의 질량분율은 저항 합금(3)이 구리에 대하여 20℃에서 ±1 μV/K 미만의 낮은 열 기전력을 가지도록 선택되는 단계들을 포함하고,
e) 여기서,
e1) 니켈 구성 요소의 질량 분율은 10%이고, 망간 구성 요소의 질량 분율은 25%이고, 주석 구성 요소의 질량 분율은 1% 이고, 그 나머지 질량 분율은 구리 구성 요소로 하고, 또는
e2) 니켈 구성 요소의 질량 분율은 11%이고, 망간 구성 요소의 질량 분율은 27%이고, 주석 구성 요소의 질량 분율은 1%이고, 그 나머지 질량 분율은 구리 구성 요소로 하는
저항 합금(3)의 제조 방법.
제 8 항에 있어서,
a) 저항 합금(3)은 인공적인 시효 과정을 거치며, 이 과정에서 저항 합금(3)은 초기 온도부터 시효 온도까지 가열되며, 그리고
b) 저항 합금(3)은, 시효 과정의 범위 내에서, 시효 온도까지 가열되었다가 초기 온도까지 다시 냉각되는 단계를 반복적으로 거치며, 그리고
c) 시효 온도는 +80℃를 초과하며 그리고 +300℃ 미만이며, 그리고
d) 초기 온도는 +30℃ 미만인 것을 특징으로 하는 저항 합금(3)의 제조 방법.
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