KR102372776B1 - Cu-Cr-Mo에 세라믹을 포함한 전기접점소재 제조방법 - Google Patents

Cu-Cr-Mo에 세라믹을 포함한 전기접점소재 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 의한 전기접점소재 제조방법은 Cu 분말, Mo 분말, Cr 분말 및 알루미나 또는 지르코니아 분말을 볼밀을 이용하여 180 내지 250 rpm으로 150 내지 300분간 밀링하여 복합분말을 제조하는 제 1단계; 상기 복합분말을 가압 성형하여 성형체를 제조하는 제 2단계; 및 상기 성형체를 액상소결 또는 용침하는 제 3단계;를 포함한다.

Description

Cu-Cr-Mo에 세라믹을 포함한 전기접점소재 제조방법{Fabrication method of electrical contact material in Cu-Cr-Mo-Ceramic alloy}
본 발명은 경도가 높고 도전율이 우수한 전기접점소재 제조방법에 관한 것이다.
전기 접점 부재는, 회로의 개폐 또는 접촉을 위한 소재 및 가공재를 지칭하는 것으로, 배선용 차단기, 개폐기, 스위치 등의 전기기구나 전기설비 등에서 사용된다.
이러한 전기 접점 부재는, 전기회로의 개폐 시에 발생되는 아크(arc)로 인하여 이상 소모, 융착, 교락 등이 발생할 우려가 있다. 따라서 전기 접점 부재는, 접촉 저항이 작고, 녹는점 및 승화점이 높으며, 전기적 수명이 우수한 재료를 선택하여 사용하게 된다.
따라서, 일반적으로 전기 접점 부재의 주 재료로는 전기 전도성이 우수한 Ag를 사용하는데, Ag 부재의 경우에는, Ag가 고가일 뿐만 아니라, 높은 전압에서 동작 시 회로의 단락이 발생하는 문제점이 있다. 이에 대한대안으로 사용되는 Ag-CdO 부재의 경우에는, 동작 시 증기 상태로 비산되는 중금속 Cd가 인체에 흡착될 우려가 있고, 제품의 폐기 시에 환경오염이 발생하는 문제점이 있다. 이에, 우수한 전기전도도 및 기계강도의 물성을 나타내면서도, 환경오염을 예방할 수 있는 전기접점소재의 개발이 필요한 실정이다.
대한민국 등록특허공보 제10-2004298호
본 발명은 세라믹 입자를 포함하여 경도를 비롯한 기계강도가 우수하면서도, 도전율의 저하가 나타나지 않는 전기접점소재 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 Cu 분말, Mo 분말, Cr 분말 및 알루미나 또는 지르코니아 분말을 볼밀을 이용하여 180 내지 250 rpm으로 150 내지 300분간 밀링하여 복합분말을 제조하는 제 1단계;
상기 복합분말을 가압 성형하여 성형체를 제조하는 제 2단계; 및
상기 성형체를 액상소결 또는 용침하는 제 3단계;를 포함하는 전기접점소재 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 전기접점소재 제조방법에서 상기 전기접점소재는 Cu를 50 내지 60 중량% 포함하며, 잔부 중 Cr : Mo의 중량비가 1:2.5 내지 3.5인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 전기접점소재 제조방법에서 상기 전기접점소재는 0.2 내지 0.6 중량%의 알루미나 또는 지르코니아 분말을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 전기접점소재 제조방법 상기 액상소결은 1180 내지 1300 ℃에서 3 내지 8시간 동안 소결하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 전기접점소재 제조방법에서 상기 제 3단계에서 용침은 상기 제 1단계에서 Cu 첨가 시 10 내지 30 중량%만을 먼저 Mo 및 Cr과 혼합한 뒤, 제 2단계의 성형체를 제조하고,
상기 성형체 상에 잔부의 구리에 해당하는 중량의 구리 플레이트를 위치시킨 뒤 용침법을 이용하여 열처리하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 전기접점소재 제조방법에서 상기 열처리는 1200 내지 1400 ℃에서 2 내지 6시간 동안 수행되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 전기접점소재 제조방법에서 상기 제 3단계 후 450 내지 550 ℃에서 1 내지 3시간 동안 어닐링하는 제 4단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의한 전기접점소재 제조방법은 Cu, Mo 및 Cr 분말, 알루미나 또는 지르코니아 분말을 볼밀을 이용하여 180 내지 250 rpm으로 150 내지 300분간 밀링하여 복합분말을 제조하는 제 1단계; 상기 복합분말을 가압 성형하여 성형체를 제조하는 제 2단계; 및 상기 성형체를 액상소결 또는 용침하는 제 3단계;를 포함하여 세라믹 입자 투입에 의한 도전율 저하를 예방하면서도 경도를 비롯한 기계강도가 우수한 장점이 있다.
도 1은 제조예 1-3의 전기접전소재를 관찰하고 이를 도시한 것이며, 도 2는 제조예 3-3의 전기접점소재를 관찰하고 이를 도시한 것이다.
본 발명의 실시예들에 대한 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명에 의한 전기접점소재 제조방법은 Cu 분말, Mo 분말, Cr 분말 및 알루미나 또는 지르코니아 분말을 볼밀을 이용하여 180 내지 250 rpm으로 150 내지 300분간 밀링하여 복합분말을 제조하는 제 1단계;
상기 복합분말을 가압 성형하여 성형체를 제조하는 제 2단계; 및
상기 성형체를 액상소결 또는 용침하는 제 3단계;를 포함한다.
본 발명에 의한 전기접점소재 제조방법은 우수한 전도율 및 경도를 나타내는 특징이 있다.
본 발명에 의한 전기접점소재 제조방법은 Cu, Mo 및 Cr 분말, 알루미나 또는 지르코니아 분말을 볼밀을 이용하여 180 내지 250 rpm으로 150 내지 300분간 밀링하여 복합분말을 제조하는 제 1단계를 포함한다. 상술한 볼밀 속도를 만족함으로써 소결에 적합한 복합입자의 제조가 가능한 장점이 있다. 볼밀 속도가 낮거나, 볼밀 시간이 짧거나, 볼밀이 아닌 단순혼합을 수행하는 경우 원료분말의 크기가 지나치게 커서 소결 후 전도성 확보가 어려운 문제가 발생할 수 있으며, 볼밀 속도를 빠르게 하거나 볼밀 시간을 길게 할 경우 구리 입자의 변형으로 전도율 및 기계강도의 저하를 유발할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 전기접점소재 제조방법은 상기 제 1단계의 조건으로 밀링함으로써 각 원료분말이 파쇄되어 평균입경이 5 내지 30 ㎛인 균일한 복합입자를 형성할 수 있으며, 이에 따라 소결 후 전기전도도 저하를 예방하고 높은 경도를 확보할 수 있는 장점이 있다. 또한, 상술한 조건으로 밀링을 수행함으로써 몰리브덴이 약 1 내지 5 ㎛ 수준으로 파쇄되어 복합입자 내에 분포함으로써 더욱 우수한 기계강도 향상효과를 나타낼 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 전기접점소재 제조방법에서 전기접점소재는 Cu를 50 내지 60 중량% 포함하며, 잔부 중 Cr : Mo의 중량비가 1:2.5 내지 3.5일 수 있다. Cu 비율이 낮은 경우 전도율 확보가 어려우며, Cu비율이 높은 경우 경도 및 기계강도의 저하가 발생할 수 있다. 또한, Cr 및 Mo의 비율이 상술한 범위를 벗어나는 경우 균일하고 미세한 조직 형성이 어려운 문제점이 있다.
또한 상기 전기접점소재는 0.2 내지 0.6 중량%의 알루미나 또는 지르코니아 분말을 포함할 수 있다. 결과적으로, 상기 전기접점소재는 50 내지 60 중량%의 구리, 0.2 내지 0.6 중량%의 알루미나 또는 지르코니아 분말 및 잔부의 Cr과 Mo을 포함할 수 있으며, 잔부 중 Cr : Mo의 중량비가 1:2.5 내지 3.5일 수일 수 있다.
좋게는 상기 전기접점소재는 알루미나 또는 지르코니아 분말 각각 또는 알루미나 분말 및 지르코니아 분말을 동시에 포함할 수 있으며, 알루미나 및 지르코니아 분말의 총 첨가량이 0.2 내지 0.6 중량%를 만족하는 경우 제한없이 첨가 가능하다.
이러한 알루미나 또는 지르코니아 분말을 첨가함으로써 높은 경도와 기계강도를 갖는 전기접점소재의 제조가 가능한 장점이 있다. 구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 의한 전기접점소재 제조방법은 알루미나 또는 지르코니아 분말을 각각 0.2 내지 0.6 중량% 첨가하여 200 Hv이상의 경도 및 37IACS% 이상의 도전율을 확보할 수 있는 장점이 있다.
본 발명에 의한 전기접점소재 제조방법은 상기 복합분말을 가압 성형하여 성형체를 제조하는 제 2단계를 포함한다. 이때 상기 성형체를 형성하기 위한 압력은 1.4 내지 2.2 ton/㎠일 수 있으며, 압력이 낮은 경우 성형체에 기공이 형성되어 전기전도도가 저하될 수 있으며, 압력이 높은 경우 전기전도도 상승효과는 미미하나 제조공정에 소요되는 비용이 증가하는 문제점이 있다.
이때 성형체의 두께 및 직경은 최종적으로 제조되는 전기접점소재의 규격에 따라 달라질 수 있으며, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 구체적이고 비한정적인 일예로 성형체의 직경은 60 내지 90 ㎜이며, 두께는 성형 후를 기준으로 5 내지 20 ㎜일 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에 의한 전기접점소재 제조방법은 상기 성형체를 액상소결 또는 용침하는 제 3단계를 포함하며, 이러한 제 3단계를 포함하여 최종적으로 전기접점소재의 제조가 가능하다.
이때 열처리는 크게 두가지 공정 중 선택하여 수행이 가능하며, 액상 소결법 또는 용침법으로 열처리할 수 있다. 이하 액상 소결법 및 용침법을 이용하는 경우에 대해 각각 상세히 설명한다.
먼저 액상소결법에 의해 열처리를 수행하는 경우, 상기 제 2단계에서 제조된 성형체를 1180 내지 1300 ℃에서 3 내지 8시간 동안 열처리하는 방법을 이용할 수 있다. 상기 열처리의 온도가 낮거나 열처리 시간이 짧은 경우 제조되는 전기접점소재의 도전율이 낮은 문제가 발생할 수 있으며, 열처리 온도가 높거나 열처리 시간이 긴 경우 생산단가의 상승을 유발할 수 있다.
상기 제 3단계를 용침법에 의해 수행하는 경우, 상기 제 3단계는 상기 제 1단계에서 Cu 첨가 시 10 내지 30 중량%, 좋게는 15 내지 25 중량%만을 먼저 Mo 및 Cr과 혼합한 뒤, 제 2단계의 성형체를 제조하고, 상기 성형체 상에 잔부의 구리에 해당하는 중량의 구리 플레이트를 위치시킨 뒤 용침법을 이용하여 열처리하는 것을 특징으로 할 수 있다.
구체적인 일예로 설명하면, Cu 60 g, Cr 10 g, Mo 30 g을 혼합하여 전기접점소재를 제조하고자 하는 경우, Cu 60 g 중 10 내지 30 g 만을 먼저 Cr 및 Mo와 혼합하여 복합분말을 제조하고 성형체를 만든 뒤, 잔부(30 내지 50g)의 구리 중량에 해당하는 구리 플레이트를 성형체 상에 위치시켜 용침을 통해 전기접점소재를 제조할 수 있다.
이러한 방법을 이용함으로써, 종래 용침을 통해 제조가 어려웠던 Cu, Cr, Mo 조성의 전기접점소재의 제조가 가능한 장점이 있다. 종래 용침법을 이용하는 경우, 성형체 제작 과정에서 성형체가 깨지는 문제가 발생하였으며, 성형체가 제작된다 하더라도 Cu를 다량 용침시키는 과정에서 용침이 충분히 일어나지 않아 전기접점소재의 Cu 함량이 낮아져 전기 전도율이 낮아지는 문제가 발생할 수 있다.
또한, 복합분말에 다량의 Cu가 포함되고 Cu 소량을 용침을 통해 침투시키는 경우 Cu의 부족으로 전기접점소재의 상하부 물성이 달라지는 문제가 발생할 수 있다. 그러나, 본원발명과 같이 Cu의 10 내지 30 중량%만을 먼저 혼합하여 성형체를 제조한 뒤, 나머지 잔부를 용침 함으로써 Cu가 소량 용침되는 문제를 해결하고 균일한 물성을 갖는 전기접점소재의 제조가 가능한 장점이 있다.
상술한 용침법을 이용하여 구리를 용침하는 경우에 있어서, 구리플레이트를 통해 용침되는 구리의 양이 적은 경우 용침에 의한 경도 향상효과가 미미한 한계가 있으며, 용침되는 구리의 양이 많은 경우 충분히 용침되지 않아 전기접점소재의 조성에 영향을 주는 문제가 발생할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 전기접점소재 제조방법에서 상기 용침법을 이용하는 경우 1200 내지 1400 ℃에서 2 내지 6시간 동안 수행될 수 있으며, 온도가 낮거나 용침 시간이 짧은 경우 구리가 충분히 용침되지 않을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 전기접점소재 제조방법에 의해 제조된 전기접점소재는 경도가 210 Hv이상, 도전율이 39 IACS%인 것을 특징으로 할 수 있으며, 이러한 경도 및 도전율 값은 종래 Cu, Mo 및 Cr을 이용하여 제조된 전기접점소재에서 달성하기 어려운 기계적 물성 및 도전율이라고 볼 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예 및 비교예에 의해 구체적으로 설명한다. 아래 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위가 아래 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
[제조예 1-1 내지 1-5]
평균입경이 28.24 ㎛인 구리 60 g 평균입경이 27 ㎛인 크롬 10 g 평균입경이 19.74 ㎛인 몰리브덴 30 g, 알루미나 분말을 각각 표 1의 함량으로 첨가한 뒤 3시간동안 볼밀하여 복합입자를 제조하였다. 이때, 알루미나 분말은 평균입경이 100 ㎛인 분말을 평균입경이 40 ㎛가 되도록 분쇄한 것을 이용하였다.
제조된 복합입자를 지름이 82 ㎜가 되도록 1.5ton/㎠으로 가압하여 성형체를 제조하였다. 제조된 성형체를 분당 10 ℃의 속도로 승온하여 최종온도가 1200 ℃가 되도록 각각 3시간 동안 열처리한 뒤, 이들의 밀도, 경도 및 도전율을 측정하고 그 결과를 아래 표 1로 나타내었다.
제조예 1-0 1-1 1-2 1-3 1-4 1-5
알루미나 첨가량(g) 0 0.1 0.2 0.5 0.8 1
밀도 (g/cm3) 8.5 8.2 8.1 7.9 7.9 8
경도 (Hv) 217 218 222.1 224.8 234.9 236.2
도전율 (IACS%) 40.7 40.2 40.1 39.6 36.54 36.1
표 1을 참고하면, 알루미나의 첨가량이 증가할수록 경도가 높아지며 도전율이 낮아지는 것을 확인할 수 있으며, 제조예 1-1의 경우 알루미나 첨가에 의한 경도 상승효과가 미미한 것을 확인할 수 있으며, 제조예 1-2의 경우 경도 상승효과가 확연히 나타난 것을 확인할 수 있다. 또한, 알루미나가 0.8 g 이상 첨가되는 경우 도전율이 37 IACS% 이하로 낮아지는 문제가 발생함을 확인할 수 있다.
[제조예 2-1 내지 2-5]
제조예 1-1 내지 1-4와 같은 방법으로 제조한 뒤, 500 ℃에서 90분간 아르곤 환경에서 어닐링하고 물성을 측정한 뒤 그 결과를 표 2로 나타내었다.
제조예 2-1 2-2 2-3 2-4 2-5
밀도 (g/cm3) 8.2 8.1 7.9 7.9 7.9
경도 (Hv) 198.2 208.4 200.5 226 251.5
도전율 (IACS%) 40.8 40.6 40.36 37.7 37.2
표 2를 참고하면, 어닐링을 거쳐 경도가 일부 낮아지는 것을 확인할 수 있으나, 전반적으로 도전율이 증가하여 0.2 내지 0.6 중량%를 첨가한 범위에서 37 IACS% 이상의 도전율을 확보함을 확인할 수 있다.
[제조예 3-1 내지 3-5]
제조예 1-1 내지 1-5와 같은 방법으로 제조하되, 알루미나 입자 대신 지르코니아 입자를 각각 첨가하여 전기접점소재를 제조하고 물성을 측정한 뒤 그 결과를 표 3으로 나타내었다. 이때 지르코니아 입자는 평균입경이 20 ㎛인 제품을 평균입경이 10 ㎛가 되도록 분쇄한 뒤 이를 투입하였다.
제조예 3-1 3-2 3-3 3-4 3-5
지르코니아 첨가량(g) 0.1 0.2 0.5 0.8 1
밀도 (g/cm3) 8.3 8.2 8.18 8.10 8.0
경도 (Hv) 219 224 230 235 247
도전율 (IACS%) 40.3 38.8 37.6 36.5 33.7
표 1을 참고하면, 지르코니아의 첨가량이 증가할수록 경도가 높아지며 도전율이 낮아짐을 확인할 수 있으며, 알루미나나 지르코니아를 첨가하지 않은 제조예 1-0 대비 경도 지르코니아를 0.2 g 이상 첨가하는 경우 경도 상승이 나타남을 확인할 수 있다. 또한, 지르코니아가 0.8 g 이상 첨가되는 경우 도전율이 37 IACS% 이하로 낮아지는 문제가 발생함을 확인할 수 있다.
[제조예 4-1 내지 4-5]
제조예 3-1 내지 3-5와 같은 방법으로 제조하되, 500 ℃에서 90분간 아르곤 환경에서 어닐링하고 물성을 측정한 뒤 그 결과를 표 4로 나타내었다.
제조예 4-1 4-2 4-3 4-4 4-5
밀도 (g/cm3) 8.2 8.1 8.45 7.9 8
경도 (Hv) 220 225 245 235 234
도전율 (IACS%) 40.5 39.2 38.78 37.74 34.18
표 4를 참고하면 어닐링을 거쳐 경도는 동등수준이거나 상승된 것을 확인할 수 있으며, 전반적으로 전기전도도가 높아짐을 확인할 수 있다.
[제조예 5]
제조예 1-2의 구리 60 g 중 20 g 만을 먼저 투입하고, 크롬, 몰리브덴 및 알루미나를 동량 투입하여 제조예 1과 같이 볼밀함으로써 복합입자를 제조하였다.
제조된 복합입자를 평균입경이 50 ㎜가 되도록 1 ton/㎠의 압력으로 가압하여 성형체를 제조하였으며, 성형체 상에 나머지 40 중량부에 해당하는 구리 플레이트를 위치시킨 뒤, 1300 ℃에서 3시간 동안 가열하여 용침법에 의해 전기접점소재를 제조하였다.
제조된 전기 접점소재는 밀도가 8.3 g/cm3이며, 상하부의 평균경도는 233.8 Hv이며, 상하부의 평균 도전율은 42.7 IACS%인 것을 확인하였다.
한편, 제조예 1에 기재된 크롬 및 몰리브덴 분말 만을 혼합하여 성형체를 제조하는 경우 도 9와 같이 압력을 가하면 깨지는 문제가 발생함을 확인하였다.
또한, 복합입자 제조시 구리 60 g 중 7 g 만을 먼저 투입하고 성형체를 제조하는 경우에도 성형체 크랙이 발생한 것을 확인하였다.
복합입자 제조 시 구리 60 g 중 35 g을 먼저 투입하여 복합입자를 제조한 뒤, 잔부의 구리 플레이트를 이용하여 용침한 경우 밀도가 8.0 g/cm3이며, 상하부의 평균 경도는 223 Hv이며, 상하부의 평균 도전율은 38.5 IACS%인 것을 확인하였다.

Claims (7)

  1. Cu 분말, Mo 분말, Cr 분말 및 알루미나 또는 지르코니아 분말을 볼밀을 이용하여 180 내지 250 rpm으로 150 내지 300분간 밀링하여 복합분말을 제조하는 제 1단계;
    상기 복합분말을 가압 성형하여 성형체를 제조하는 제 2단계; 및
    상기 성형체를 액상소결 또는 용침하는 제 3단계;를 포함하는 전기접점소재 제조방법에 있어서,
    상기 전기접점소재는 Cu를 50 내지 60 중량% 포함하며, 잔부 중 Cr : Mo의 중량비가 1:2.5 내지 3.5인 것을 특징으로 하는 전기접점소재 제조방법.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 전기접점소재는 0.2 내지 0.6 중량%의 알루미나 또는 지르코니아 분말을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기접점소재 제조방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 액상소결은 1180 내지 1300 ℃에서 3 내지 8시간 동안 소결하는 것을 특징으로 하는 전기접점소재 제조방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제 3단계에서 용침은 상기 제 1단계에서 Cu 첨가 시 10 내지 30 중량%만을 먼저 Mo 및 Cr과 혼합한 뒤, 제 2단계의 성형체를 제조하고,
    상기 성형체 상에 잔부의 구리에 해당하는 중량의 구리 플레이트를 위치시킨 뒤 용침법을 이용하여 열처리하는 것을 특징으로 하는 전기접점소재 제조방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 열처리는 1200 내지 1400 ℃에서 2 내지 6시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 전기접점소재 제조방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 제 3단계 후 450 내지 550 ℃에서 1 내지 3시간 동안 어닐링하는 제 4단계;를 더 포함하는 전기접점소재 제조방법.
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