KR102550912B1 - 내마모성 및 내열성이 우수한 도전 재료 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 10질량％ 이상 70질량％ 이하의 Ag과, 30질량％ 이상 90질량％ 이하의 Pd과, 5질량％ 초과 45질량％ 이하의 Ni과, 불가피 불순물을 포함하는 도전 재료이며, Ni 함유량(질량％)과 Ag 함유량(질량％)의 비율(Ni(질량％)/Ag(질량％))이 0.1 이상 5.0 이하이고, 금속 조직에 있어서, AgPd 합금상과 PdNi 합금상을 포함하고, 상기 PdNi 합금상의 체적률이 18체적％ 이상 80체적％ 이하인 도전 재료이다. 본 발명은, AgPd 합금에 의도적으로 고농도의 Ni을 첨가하면서, 분리상으로서 생성하는 PdNi 합금상의 양을 제어함으로써, 합금 전체의 강화를 도모하고 있다. 이 합금은, 가공성도 양호하고, 또한 종래 합금보다도 강성률과 재결정 특성이 개선되어 있다.

Description

내마모성 및 내열성이 우수한 도전 재료

본 발명은, DC 모터나 마이크로 DC 모터 등의 모터, 슬라이드 스위치나 포텐시오미터 등의 가변 저항기, 또한, 슬립 링 등의 커넥터 등의 전기적 접촉부에 있어서, 정지 부품으로부터 가동 부품으로 전류를 전송하기 위한, 금속 합금을 포함하는 도전 재료에 관한 것이다.

상기 분야에서 사용되는 도전 재료로서는, 종래부터 AgPd 합금(Ag 30 내지 70질량％, 특히, Ag-50질량％ Pd 합금)이 널리 사용되어 왔다. AgPd 합금은, 내식성이 우수한 것에 더하여, 저접촉 저항이라는 도전 재료에 있어서 적합한 특성을 갖는다. 또한, AgPd 합금은, 전율 고용형의 합금이며 면심 입방 구조를 갖고 있고, 비교적 소성 변형되기 쉽고 가공성도 양호하다.

상기한 각종 가변 저항기, 모터, 커넥터 등에 적용되는 도전 재료에는, 미끄럼 이동 시에 있어서 장기적으로 안정된 전기적 접촉을 확보하기 위해, 내마모성 및 내열성을 겸비한 재료가 요구된다. AgPd 합금은, 지금까지는 그러한 요구에 따를 수 있는 재료로 되어 왔다. 그러나, 근년, 도전 재료의 사용 양태에 있어서, 미끄럼 이동 속도나 투입 전력, 접촉 하중과 같은 부하가 증대되고 있고, 도전 재료에 대한 내구성 향상의 요구가 엄격해지고 있다. 그리고, AgPd 합금은, 이 증대된 부하에 대한 내구성의 문제가 지적되고 있다.

미끄럼 이동 접촉하고 있는 도전 재료는, 그 최표면에 있어서, 미끄럼 이동 응력에 의한 소성 변형을 받아, 금속 조직이 미세하게 교반된 변질층이 형성된다. 또한, 모터나 슬립 링 등에 있어서의 수백 내지 수만rpm의 고속 회전 조건이나, 통전 전력이 10W 이상에서 아크 방전이 발생하는 조건에서 사용되는 도전 재료에서는, 회전에 의한 마찰열이나 아크 방전에 의한 열의 영향도 받게 된다. 도전 재료의 최표면에서는, 이들 열의 영향에 의해서도 금속 조직의 변질이 발생한다. 도 10은, 실사용 후의 AgPd 합금을 포함하는 미끄럼 이동 부재이며, 최표면에 변질층이 형성된 모습을 관찰한 결과이다. 도 10에 나타낸 바와 같이, 도전 재료의 최표면으로부터 약 10㎛의 범위에서, 소성 변형이나 열영향에 의한 변질층의 존재를 확인할 수 있다.

도전 재료를 포함하는 미끄럼 이동 부재의 소모는, 상기한 재료 표면의 변질층의 부분이 미끄럼 이동 응력이나 아크 에너지와 같은 외력에 견딜 수 없게 되어, 소모분으로 되어 탈락해 감으로써 일어난다. 이러한 소모의 메커니즘으로부터, 미끄럼 이동 부재를 구성하는 도전 재료에는 내마모성과 내열성의 양쪽에 대하여 향상을 도모하는 것이 요구되고 있다.

도전 재료의 내마모성 및 내열성의 향상을 위해서는, 미끄럼 이동에 의한 전단 응력을 받아도 변형되기 어려운 강성률이 높은 재료이며, 열에너지를 받아도 재결정하기 어려운 재료로 해야 한다. 도전 재료에 있어서 이들 특성을 개량하는 것은, 미끄럼 이동 부재의 장수명화를 도모하는 데 있어서, 매우 중요한 과제라고 할 수 있다. 여기서, AgPd 합금을 포함하는 종래의 도전 재료의 내마모성 및 내열성의 향상을 위한 방책으로서, 합금에 미량의 첨가 원소를 첨가함으로써, 결정립의 미세화나 석출 강화를 도모하는 방법이 알려져 있다.

미량 첨가 원소에 의해 AgPd 합금의 결정립 미세화를 도모하는 방법으로서는, 3질량％ 이하의 Ni, Fe, Co를 첨가하는 방법이 개시되어 있다(특허문헌 1). AgPd 합금 중에 이들 원소를 미량 첨가하면, AgPd 매트릭스의 결정립계에, PdFe, PdNi, PdCo의 미소 입자가 성장하여, 매트릭스의 결정립이 미세화된다. 이에 의해, 재료의 강도 특성의 향상 및 미끄럼 이동 시에 있어서의 재료 표면의 연화 방지를 기대할 수 있다.

또한, 석출 강화에 의한 AgPd 합금의 특성 개선의 방법으로서는, Al, Mn, Ga, In, Sn, Zn, Pb 등의 첨가 원소를 1 내지 5질량％ 첨가하는 방법이 개시되어 있다(특허문헌 2 내지 4). 이들 첨가 원소를 첨가하면, Pd과 금속간 화합물이 AgPd 매트릭스의 입계에 생성된다. 이 금속간 화합물은, 면심 입방 구조의 AgPd 매트릭스와 다른 결정 구조를 갖고 고강도로 변형되기 어려워, 합금의 강성률을 향상시키는 효과를 나타낸다.

국제 공개 WO2017/130781호 일본 특허 공고 평3-051262호 공보 일본 특허 공고 소62-060458호 공보 일본 특허 공고 소62-060457호 공보

상기한 미량 첨가 원소에 의한 결정립 미세화나 석출 강화는, AgPd 합금의 내마모성 및 내열성의 향상에 있어서 일정한 효과는 인정된다. 그러나, 미끄럼 이동 부재에 대한 더 가혹한 사용 환경을 상정하면, 충분하다고는 말하기 어렵다.

즉, 미량 첨가 원소에 의한 결정립 미세화로는, 최대 응력이나 내력의 값이 상승하기는 하지만, 강성률 및 재결정 온도의 개선에 대해서는 그다지 변화를 만들 수 없다. 이 방법은, 재료의 개질로서 불충분하다.

또한, 금속간 화합물을 이용한 석출 강화는, 상기한 결정립 미세화보다 재료 강화의 효과가 있다. 단, 상기에서 예시한 원소에 의해 석출되는 금속간 화합물은, 합금 조성(첨가 원소의 배합비)에 따라 생성되는 것이다. 첨가 원소의 배합비를 높게 함으로써, 금속간 화합물의 석출량도 증대되어 석출 강화의 효과는 커지지만, 가공성의 저하를 초래하여 미끄럼 이동 부재의 제조를 곤란하게 한다. 한편, 가공성에 어려움이 발생하지 않을 정도의 배합비로는, 재료 특성의 향상 효과가 불충분해져, 도전 재료로서의 장수명화를 도모할 수 없다. 즉, 이 종래 기술에서는, 석출량을 용이하게 조정하는 것은 어렵다. 또한, 여기서 발현하는 금속간 화합물은, 스피노달 분해 등에 의한 시효 석출과는 다른 기구에서 석출되기 때문에, 입경의 제어도 곤란하다. 따라서, 가공성을 확보하면서, 내마모성과 내열성을 향상시키기 위해서는 한계가 있었다.

본 발명은, 이상과 같은 사정을 감안하여 이루어진 것이며, AgPd 합금을 기본으로 하는 도전 재료에 대하여, 가공성을 담보하면서, 종래 기술보다도 강성률과 재결정 특성이 향상된 재료를 개시한다. 그리고, 기계적·전기적 부하가 큰 전기적 접촉부에 있어서도, 내마모성 및 내열성이 우수한 도전 재료를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하는 본 발명은, 10질량％ 이상 70질량％ 이하의 Ag과, 30질량％ 이상 90질량％ 이하의 Pd과, 5질량％ 초과 45질량％ 이하의 Ni과, 불가피 불순물을 포함하는 도전 재료이며, Ni 함유량(질량％)과 Ag 함유량(질량％)의 비율(Ni(질량％)/Ag(질량％))이 0.1 이상 5.0 이하이고, 금속 조직에 있어서, AgPd 합금상과 PdNi 합금상을 포함하고, 상기 PdNi 합금상의 체적률이 18체적％ 이상 80체적％ 이하인 도전 재료이다.

상술한 종래 기술에 있어서, AgPd 매트릭스의 결정립 미세화에 의해 재료 강화를 도모하는 방법(특허문헌 1)에서는, Ni의 첨가량을 미량 범위(3질량％ 이하)로 제한하고 있다. 첨가 원소량을 제한하는 것은, Ag, Pd, Ni의 각 금속간의 고용도의 차이를 고려하면서, 결정립 미세화를 도모하기 위해서이다. 즉, Pd는 Ag에 대하여 전율 고용하여 합금(AgPd)을 생성할 수 있다. 한편, Ni은, Ag에 거의 고용되지 않지만 Pd에는 전율 고용되어 합금(PdNi)을 생성할 수 있다. Ni 첨가에 의한 AgPd 합금의 결정립 미세화는, 매트릭스 중의 분리상(PdNi)을 기점으로 하여 진행하고, 미소의 분리상을 분산시키는 것이 바람직한 것으로 되어 있다. 그리고, 매트릭스를 구성하는 Ag에 고용되기 어려운 Ni의 첨가량이 크면, 조대한 분리상이 과잉으로 생성되어 결정립 미세화의 방해가 된다. 그 때문에, 상기 종래 기술에서는, Ni 첨가량을 미량으로 제한함으로써, 균질한 AgPd 합금 매트릭스에 미세한 분리상을 분산시켜 결정립 미세화를 도모하고 있다.

상기와 같은 종래 기술에 대하여, 본 발명에 관한 도전 재료에서는, AgPd 합금에 대하여, 의도적으로 높은 농도 범위의 Ni을 첨가한다. 상기한 바와 같이, Ni은 Ag에는 고용되기 어렵지만, Pd에는 전율 고용할 수 있는 원소이다. 본 발명자 등의 검토에 의하면, Ni 첨가에 의해 생성되는 분리상인 PdNi 합금상은, 매트릭스(AgPd 합금)에 대한 양을 적절하게 제어함으로써, 합금 전체를 강화할 수 있다.

본 발명자 등에 의하면, PdNi 합금상에 의한 재료 강화는, 최대 응력이나 내력의 향상에 더하여 강성률의 상승에도 효과가 있다. 또한, PdNi 합금상의 양을 적절하게 함으로써, 재결정 온도의 향상이 보여져, 합금의 내열성의 향상에도 효과가 있는 것이 확인되어 있다.

그리고, 본 발명의 적량 Ni을 포함하는 AgPd 합금은, 가공성도 확보되어 있다. 이 효과는, 본 발명에서 착안한 PdNi 합금상이, 상기한 석출 강화(특허문헌 2 내지 4)에 있어서의 금속간 화합물에 대하여 높은 변형능을 갖는 것에 기초한다. PdNi 합금상은, 매트릭스인 AgPd 합금과 마찬가지로 면심 입방 구조를 갖고, 합금 전체가 소성 변형을 받을 때 매트릭스와 함께 변형되는 경향을 갖는다. 합금 중의 PdNi 합금상량을 적절한 범위로 함으로써, 가공성을 확보할 수 있다.

이상의 설명과 같이, 본 발명은, AgPd 합금에 첨가 원소로서 Ni을 비교적 고농도로 첨가함으로써, AgPd 합금상과 PdNi 합금상이 복합화된 다상 합금으로 하는 것을 특징으로 한다. 즉, 본 발명에 관한 도전 재료는, Ni 함유량 등에 있어서의 합금 조성에 기초하는 특징과, 다상 합금에 관련하는 금속 조직에 기초하는 특징을 갖는다. 이하, 본 발명에 관한 도전 재료의 구성에 관하여, 성분 조성 및 금속 조직에 대하여 상세하게 설명한다.

A. 본 발명에 관한 도전 재료의 합금 조성

본 발명에 관한 도전 재료는, Ag, Pd, Ni의 3원소를 필수의 구성 원소로 하는 AgPdNi 합금을 포함한다. 이 AgPdNi 합금의 조성 범위는, Ag이 10질량％ 이상 70질량％ 이하, Pd이 30질량％ 이상 90질량％ 이하, Ni이 5질량％ 초과 45질량％ 이하로 한다.

그리고, 본 발명은, 상기 조성 범위의 AgPdNi 합금에 대하여, Ni 및 Ag의 배합비에 대한 제한을 더한다. 구체적으로는, Ni 함유량(질량％)과 Ag 함유량(질량％)의 비율(Ni(질량％)/Ag(질량％))이 0.1 이상 5.0 이하의 범위 내로 한다.

본 발명에서 적용하는 AgPdNi 합금의 조성을 상기 범위로 하면서, 또한 Ni과 Ag의 배합비를 설정한 것은, AgPd 합금상과 PdNi 합금상을 치우침 없이 분산시켜, 본 발명에서 요구되는 적합한 금속 조직의 AgPdNi 합금을 얻기 위해서이다. AgPd 합금상과 PdNi 합금상은, 본질적으로 서로 섞이지 않는 합금상이다. 그리고, 양 합금상 사이에 있어서, 액상 상태의 밀도 및 고상선 온도에 큰 괴리가 발생하면, 주조 시에 분리 경향이 강해져, 균질하고 동일한 금속 덩어리를 제조하는 것이 곤란해진다.

본 발명자들의 검토에 의하면, 액상 밀도비(PdNi 합금상의 액상 밀도/AgPd 합금상의 액상 밀도)가 0.95 내지 1.00의 범위 내에 있고, 고상선 온도의 괴리가 100℃ 미만으로 되는 AgPd 합금상 및 PdNi 합금상을 생성시킴으로써, 균일한 금속 덩어리를 얻을 수 있다. 그리고, AgPdNi 합금에 대하여, 이 조건을 충족시키는 각 합금상을 생성시키기 위해, 상기 범위의 합금 조성으로 함과 함께, Ni 함유량과 Ag 함유량에 대한 배합비를 규정하고 있다.

그리고, 본 발명에서 규정되는 합금 조성 및 배합비에 의해 생성되는 AgPd 합금상의 조성은, Ag이 30질량％ 이상 80질량％ 이하, Ni이 0질량％ 이상 1질량％ 이하, 잔부가 Pd 및 불가피 불순물이다. 한편, PdNi 합금상의 조성은, Pd이 40질량％ 이상 90질량％ 이하, Ag이 0질량％ 이상 5질량％ 이하, 잔부가 Ni 및 불가피 불순물이다. 각 합금상에 포함되는 불가피 불순물은, 후술하는 본 발명에 관한 도전 재료의 불가피 불순물을 포함하고, 그 함유량도 후술하는 범위 내로 된다. AgPd 합금상과 PdNi 합금상의 조성은, AgPdNi 합금의 금속 조직을 전자 현미경(SEM) 등으로 관찰할 때, 파장 분산형 X선 분광법(WDS) 등의 분광 분석법에 의한 원소 분석으로 측정할 수 있다.

이상 설명한 합금 조성에 대하여, Ag, Pd, Ni의 함유량이 상기 범위를 일탈하는 경우나, Ni 함유량과 Ag 함유량의 배합비가 상기 범위를 일탈하는 경우, 상기한 적합한 AgPd 합금상과 PdNi 합금상이 적합한 체적률로 생성되지 않아, 균질하고 동일한 재료를 제조하는 것이 곤란해진다. 또한, 본 발명의 과제인 도전 재료로서의 내마모성을 확보하는 것도 곤란해진다.

또한, 본 발명에서 적용하는 AgPdNi 합금의 합금 조성은, 바람직하게는 Ag이 14질량％ 이상 55질량％ 이하, Pd이 38질량％ 이상 60질량％ 이하, Ni이 5질량％ 초과 30질량％ 이하로 한다. 그리고, Ni 함유량(질량％)과 Ag 함유량(질량％)의 비율에 대해서도 0.1 이상 2.5 이하로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, Ag이 30질량％ 이상 43질량％ 이하, Pd이 45질량％ 이상 50질량％ 이하, Ni이 12질량％ 초과 20질량％ 이하로 한다. 또한, Ni 함유량과 Ag 함유량(질량％)의 비율에 대해서도 0.3 이상 0.7 이하로 하는 것이 보다 바람직하다.

지금까지 설명한 바와 같이, 본 발명에 관한 도전 재료는, Ag, Pd, Ni을 필수의 구성 원소로 한다. 이 합금은, 불가피 불순물로서 Fe, Co, Cr, Mn, Mg, Al, Zn, Cu, Si, S, As, Sn, In 등을 포함하는 경우가 있다. 불가피 불순물은, 합계 0.5질량％ 이하 포함할 수 있다. 이들 불가피 불순물은, AgPd 합금상과 PdNi 합금상의 어느 것 또는 양쪽에 고용할 수 있다. 또한, 이들 불가피 불순물은, Ag, Pd, Ni의 어느 것과 화합물을 형성하여 합금 중에서 영향이 없는 상태로 석출되는 경우가 있다. 또한, 본 발명에 관한 도전 재료는, 상기한 불가피 불순물 외에, 0ppm 이상 100ppm 이하의 C(탄소)와, O(산소)와 N(질소)를 합계 0ppm 이상 200ppm 이하 포함하는 경우가 있다.

B. 본 발명에 관한 도전 재료의 금속 조직

본 발명에 관한 도전 재료를 구성하는 AgPdNi 합금은, 상기 합금 조성을 가짐과 함께, AgPd 합금상과 PdNi 합금상이 복합된 금속 조직을 갖는다. 종래의 AgPd 합금에 대하여 내마모성 및 내열성을 부여하기 위해서이다. 본 발명의 AgPdNi 합금은, PdNi 합금상의 체적률이 18체적％ 이상 80체적％ 이하의 범위에 있다. PdNi 합금상의 체적률이 18체적％ 미만인 경우, 도전 재료로서 요구되는 내마모성 등이 부족해진다. 한편, PdNi 합금상이 80체적％를 초과할 때, 가공성이 악화되어 원하는 형상의 부재 가공이 곤란해진다.

PdNi 합금상의 체적률이란, 도전 재료(AgPdNi 합금) 중의 PdNi 합금상의 체적률이다. 후술하는 바와 같이, PdNi 합금상의 체적률은, 임의 단면을 관찰했을 때의 관찰 영역 있어서의 PdNi 합금상의 면적비로 근사된다. 또한, 이 금속 조직에서 관찰되는 AgPd 합금상 및 PdNi 합금상의 조성에 관해서는, 상기한 바와 같다.

PdNi 합금의 체적률이 상기 범위가 되는 본 발명의 AgPdNi 합금은, 합금 전체의 조성 및 Ni 함유량과 Ag 함유량의 비율을 상기한 범위로 하여 주조함으로써 제조할 수 있다. 그리고, 주조 후의 합금 소재를 소성 가공함으로써, 임의 단면에 있어서, 층형의 AgPd 합금상 및/또는 PdNi 합금상이 분포된 금속 조직을 갖는 AgPdNi 합금으로 할 수 있다. 이러한 금속 조직으로 함으로써, 각각의 합금상의 특성을 상승적으로 발휘시킬 수 있고, 높은 내마모성과 내열성을 발휘할 수 있다.

또한, 본 발명에 있어서, 임의 단면이란, 임의로 선택된 1 이상의 가공 방향 단면이다. 가공 방향 단면이란, 가공 방향에 평행한 단면이다. 통상, AgPd 합금상 및/또는 PdNi 합금상이 신장된 방향이 가공 방향이라고 추정된다. 본 발명에서는, 임의 선택된 가공 방향 단면의 전체에 있어서 상기 금속 조직이 관찰된다. 또한, 본 발명에 있어서, 층형의 PdNi 합금상(AgPd 합금상)이란, 임의 단면의 금속 조직에 있어서, 가공 방향으로 신장된 복수의 PdNi 합금상(AgPd 합금상)이 연결되어 분포함으로써 형성되고, 외관상 층형으로 되어 있는 PdNi 합금상(AgPd 합금상)이다. 단, 층형이란, PdNi 합금상(AgPd 합금상)이 전체적으로 연결되어 있는 상태에만 한정되지 않고, 일부 또는 복수 개소에 이격된 부분이 있어도 된다.

본 발명에 관한 도전 재료를 구성하는 AgPdNi 합금의 금속 조직은, PdNi 합금상의 체적률에 따른 외관을 나타낸다. PdNi 합금상의 체적률이 비교적 낮을 때, 구체적으로는 체적률이 18체적％ 이상 50체적％ 미만인 AgPdNi 합금에 있어서는, AgPd 합금상과, AgPd 합금상보다 두께가 얇은 PdNi 합금상이 분포된 금속 조직이 보여진다. 이때의 PdNi 합금상의 두께는, 0.01㎛ 내지 20㎛의 범위 내로 되어 있다. 한편, PdNi 합금상의 체적률이 비교적 높을 때, 구체적으로는, PdNi 합금상의 체적률이 50체적％ 이상 80체적％ 이하인 AgPdNi 합금에 있어서는, PdNi 합금상과, PdNi 합금상보다 두께가 얇은 AgPd 합금상이 분포된 금속 조직이 보여진다. 이때의 AgPd 합금상의 두께는, 0.01㎛ 내지 20㎛의 범위 내로 되어 있다.

특히, PdNi 합금상의 체적률이 35체적％ 이상 65체적％ 이하의 합금에서는, 연속성이 있는 층형의 AgPd 합금상 및/또는 PdNi 합금상이 적층된 금속 조직이 관찰된다. 이 적층 조직을 나타내는 AgPdNi 합금에 있어서는, PdNi 합금상의 체적률에 따라, 두께 0.01㎛ 내지 20㎛의 범위 내에 있는 AgPd 합금상 또는 PdNi 합금상이 분포되어 있다. 또한, 이상 설명한 PdNi 합금상(AgPd 합금상)의 두께란, 가공 방향과 교차하는 방향에 있어서의 합금상의 폭이다. 또한, 본 발명에서는, 임의 단면에서 관찰된 PdNi 합금상(AgPd 합금상) 전체에 있어서, 두께가 상기 범위 내인 것을 필요로 한다.

본 발명의 AgPdNi 합금의 금속 조직의 관찰은, 일반적인 금속 관찰 방법을 적용할 수 있다. 단, 관찰하는 단면은, 가공 방향 단면에 대하여 행해진다. 가공 방향 단면이란, 상기한 바와 같이, 가공 방향에 평행한 단면이고, 결정이 횡축 방향으로 신장되어 있는 단면이다. 그리고, PdNi 합금상의 체적률, 각 합금상의 두께의 측정에 있어서는, 관찰한 가공 방향 단면의 금속 조직에 기초하여 측정·산출된다.

금속 조직은, 광학 현미경이나 전자 현미경(SEM 등)에 의해 관찰 가능하고, 관찰 시에 전처리로서 적절하게 에칭을 행하는 경우가 있다. 금속 조직을 관찰함으로써, 적층 구조 조직의 유무를 확인하여, PdNi 합금상의 체적률 및 각 상의 두께를 측정할 수 있다. 여기서, PdNi 합금상의 체적률의 측정은, 화상 처리에 의해 산출되는 관찰 영역에 대한 면적비로 근사할 수 있다. 이 화상 처리는, 적절하게 소프트웨어를 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 관찰 방법으로 촬영한 금속 조직 화상에 대하여 적절하게 역치를 설정하여 화상 데이터를 2치화함으로써, PdNi 합금상의 면적률(체적률)의 산출 및 합금상의 두께 측정을 행할 수 있다. 이러한 화상 해석은, 복수 시야(3시야 이상)로 행하여, 얻어진 결과의 평균값을 채용하는 것이 바람직하다.

C. 본 발명에 관한 도전 재료의 강도와 열적 특성

이상 설명한 본 발명에 관한 AgPdNi 합금을 포함하는 도전 재료는, 내마모성 및 내열성의 확보를 위해, 종래 기술에 대하여, 강성률 및 열적 특성이 개선되어 있다. 구체적으로는, 강성률은 50 내지 100㎬로 된다. 종래 기술인 AgPd 합금(예를 들어, AgPd50)이 45㎬ 정도이고, 본 발명에 있어서의 높은 강도 특성이 확인되어 있다. 이 강도 특성의 개선에 의해, 미끄럼 이동 접촉부의 금속 조직은, 미끄럼 이동에 의한 전단 응력을 받아도 변형되기 어려워져, 표면 변질층의 생성이 억제된다. 따라서, 강도 특성의 개선은, 내마모성의 향상에 기여하는 것이라고 생각된다.

또한, 본 발명에 관한 AgPdNi 합금을 포함하는 도전 재료는, 재결정 온도가 종래 기술보다도 고온 영역에 있다. 종래의 도전 재료는, 700℃(30분간 가열)의 열처리로 재결정화하여, 금속 조직의 조대화 및 경도 저하에 이른다. 이에 비해, 본 발명의 AgPdNi 합금은, 동일한 700℃의 열처리에서는 경도가 완전히 저하되는 경우는 없다. 900℃ 이상의 열에너지를 부여하지 않으면 재결정화되지 않는다. 따라서, 본 발명의 도전 재료는, 미끄럼 이동 시의 마찰열이나 아크 방전에 수반하는 열영향을 받기 어려운 재료이며, 종래 기술보다도 내열성이 우수한 것이다.

D. 본 발명에 관한 도전 재료의 제조 방법

본 발명에 관한 AgPdNi 합금을 포함하는 도전 재료는, 기본적으로는 종래 기술인 AgPd 합금과 동일한 제조 공정에서 제조할 수 있다. 즉, AgPdNi 합금은, 용해법에 의해 합금화할 수 있어, 주조법으로 합금 소재가 되는 주조 덩어리를 얻을 수 있다. 주조 덩어리의 주조는, 경사 주조법, 연속 주조법, 반연속 주조법 등의 적용에 의해 제조된다.

그리고, 주조 덩어리를 소성 가공함으로써, 상기한 AgPd 합금상과 PdNi 합금상을 포함하는 금속 조직을 갖는 도전 재료를 제조할 수 있다. 소성 가공은, 단조 가공, 스웨이징 가공, 신선 가공, 압연 가공, 압출 가공, 인발 가공 등이 적용된다. 그리고, 주조 덩어리에 대하여, 이들 가공 방법을 단독 또는 조합하여 행하여, 총가공률 80％ 이상의 소성 가공을 행하는 것이 바람직하다. 또한, 이들 소성 가공을 행한 도전 재료에 대한 가공 방향 단면은, 각 가공 방법의 가공 방향(신선 방향, 압연 방향, 압출·인발 방향)이 기준으로 된다.

E. 본 발명에 관한 도전 재료의 사용 양태

이상 설명한, 본 발명에 관한 AgPdNi 합금을 포함하는 도전 재료는, 적당한 형상으로 가공하여 사용된다. 그 형상·치수는, 그 용도에 준하는 점에서 특별히 한정되지는 않는다.

또한, 본 발명에 관한 도전 재료는, 적당한 기재(베이스재)에 클래드하여, 클래드 복합재의 형태로 사용되는 경우도 있다. 이 클래드 복합재의 베이스재로서는, 도전성이 우수한 Cu 또는 Cu 합금을 적용할 수 있다. 또한, Cu 합금으로서는, 콜슨계 구리 합금(Cu-1 내지 4질량％ Ni-1질량％ 이하 Si-기타 1질량％ Zn, Mn, Sn, Mg 등), 베릴륨 구리 합금(Cu-2질량％ 이하 Be-1질량％ 이하 Ni, Co, Fe-기타 0.5질량％ 이하 Zn, Mn, Sn, Mg 등), 인 청동 합금(Cu-1 내지 10질량％ Sn-1질량％ 이하 P-기타 0.5질량％ 이하 Zn, Mn, Mg 등) 등이 적용된다. 또한, 본 발명에 관한 도전 재료를 베이스재에 클래드할 때의 형태는, 인레이나 오버레이, 에지 레이 및 톱 레이의 어느 것이어도 된다.

본 발명에 관한 도전 재료를 미끄럼 이동 접점 부재에 사용한 경우, 당해 부재의 내구성 향상을 도모하는 것이 기대된다. 미끄럼 이동 접점 부재의 구체적 용도는, DC 모터 및 슬립 링의 브러시재로서의 활용을 들 수 있다. 특히, 정동 전류가 1A 이상인 DC 모터나, 고회전수화된 슬립 링에 있어서, 본 발명은 유효하다. 이들 고출력화·고회전수화된 전기 기기에 있어서는, 브러시재의 마모와 아크 방전에 의한 불꽃 손상이 염려된다. 본 발명은, 종래 기술보다도 이들에 대한 내구성이 우수하다는 점에서, 미끄럼 이동 접점의 내구 수명 향상이 도모된다.

도 1은, 본 발명에 관한 도전 재료의 구체적 용도인, DC 모터의 구조의 일례를 개략 나타내는 도면(정면, 측면)이다. DC 모터는, 회전축과, 회전축의 주위에 마련된 정류자와, 정류자에 접촉하여 전류를 공급하는 브러시를 구비하고, 이것들을 필수의 구성 부재로 한다. 도 1의 DC 모터에 있어서, 전원으로부터의 전류가 브러시를 경유하여 정류자에 흘러 권선을 통전한다. 권선에 전류가 공급되어 자장을 발생시킴으로써, 자화된 로터가 영구 자석의 각 극과 반발·흡인하여 회전축을 회전시킨다. 그리고, 모터의 제어 방법으로서는, 도 2에서 예시된 바와 같은, 저항 제어법(도 2의 (a))이나 펄스 제어법(도 2의 (b)) 등이 있다. 전자에서는, 모터와 전원 사이에 파워 트랜지스터·가변 저항기 등의 전압 제어 수단을 넣고, 모터에 공급하는 전력을 조정하여 모터의 회전수를 제어한다. 또한, 후자에서는, 제어 트랜지스터와 같은 스위칭 소자를 이용하여, 모터의 전원을 온·오프 하면서 모터의 회전수를 제어한다.

상기와 같은 DC 모터에 있어서, 브러시는 적어도 정류자와의 접촉면이 제1 접점 재료로 구성된다. 여기서, 제1 접점 재료로서, 본 발명에 관한 도전 재료가 적용된다. 이 도전 재료의 조성 및 금속 조직은 상기한 바와 같다.

또한, DC 모터에 있어서, 브러시의 상대측 부재인 정류자는 적어도 브러시와의 접촉면이 제2 접점 재료로 구성된다. 본 발명에 관한 도전 재료를 DC 모터의 브러시 제1 접점 재료에 적용하는 경우, 정류자의 제2 접점 재료에는, Ag-Ni 합금이나 Ag-Cu-Ni 합금, Ag-Cu-Ni-Zn 합금이라는 고도전율(IACS: 55％ 이상)의 재료가 적합하다. 접촉 저항을 낮게 억제함으로써, 안정적인 전기적 접촉을 담보할 수 있기 때문이다.

또한, 브러시의 제1 접점 재료 및 정류자의 제2 접점 재료는, 적어도 그들의 접촉면을 구성하고 있으면 된다. 예를 들어, 도 3과 같이, 각각의 접촉면측에 제1, 제2 접점 재료가 클래드된 복합재로 각 부재를 구성해도 된다. 또한, 부재 전체를 제1, 제2 접점 재료로 구성해도 된다. 이상 설명한 모터의 구조나 제어 방법 등에 대해서는, 마이크로 DC 모터도 마찬가지로 적용된다.

또한, 상기와 같은 용도 외에, 본 발명은 각종 전극재나 접점재로서 유용하다. 슬라이드 스위치나 커넥터, 포텐시오미터 등의 가변 저항기를 용도로서 들 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 관한 AgPdNi 합금을 포함하는 도전 재료는, AgPd 합금에 대하여, 종래 기술에서는 상정되어 있지 않은 양의 Ni을 첨가함과 함께, AgPd 합금상과 PdNi 합금상을 포함하는 복합적인 금속 조직으로 하고 있다. 이러한 종래 기술과는 다른 착상에 의해, 본 발명에 관한 도전 재료는, 우수한 내마모성과 내열성을 갖는다.

도 1은 DC 모터의 구조의 일례를 설명하는 개략도.
도 2는 DC 모터의 제어 방법의 일례를 설명하는 도면.
도 3은 DC 모터에 있어서의 브러시와 정류자의 접촉 상태 및 각각의 부재의 구성을 설명하는 도면.
도 4는 본 실시 형태(실시예 1 내지 실시예 7, 비교예 1, 2, 5, 종래예 1 내지 4)에서 제조한 각종 조성의 도전 재료(AgPdNi 합금)의 금속 조직을 나타내는 SEM 사진.
도 5는 본 실시 형태(실시예 1 내지 실시예 7, 비교예 1 내지 5)에서 제조한 AgPdNi 합금에 대하여, PdNi 합금상의 체적률과 강성률의 관계를 나타내는 도면.
도 6은 본 실시 형태(실시예 1 내지 실시예 7)에서 제조한 AgPdNi 합금에 대하여, 400℃ 내지 1000℃의 범위에서 열처리했을 때의 경도 변화를 나타내는 도면.
도 7은 본 실시 형태(비교예 1, 2, 5, 종래예 1 내지 4)에서 제조한 AgPdNi 합금, AgPd 합금에 대하여, 400℃ 내지 1000℃의 범위에서 열처리했을 때의 경도 변화를 나타내는 도면.
도 8은 본 실시 형태에서 실시한 내구 시험을 위한 미끄럼 이동 시험기의 개략도.
도 9는 본 실시 형태에서 제조한 실시예 및 종래예에 대하여 행한, 내구 시험 후의 소모 부위의 단면 형태를 나타내는 SEM 사진.
도 10은 종래의 도전 재료인 AgPd 합금의 소모 부위의 단면 형태를 나타내는 SEM 사진.

이하, 본 발명의 실시 형태에 대하여 설명한다. 본 실시 형태에서는, 각종 조성의 AgPdNi 합금을 제조하여 그 금속 조직의 관찰을 행함과 함께, 재료 특성의 평가를 실시했다.

AgPdNi 합금의 시험재는, 고주파 용해법 및 주조법에 의해 판형의 합금 잉곳을 작성하고, 총가공률 80％ 이상, 압연 가공을 가함으로써 제조했다(시험재 치수: 길이 200㎜, 폭 10㎜, 두께 0.3㎜). 또한, 종래 기술인 AgPd 합금, AgPd계 합금의 시험재도, 동일한 공정으로 제조했다.

제조한 AgPdNi 합금 및 종래 합금의 시험재에 대하여, 금속 조직의 관찰을 행하였다. 조직 관찰은, 가공 방향에 평행한 단면을 SEM 관찰했다. SEM 관찰은, 니혼덴시 가부시키가이샤제 JSM-7200F에 의해 가속 전압 7㎸, 배율 5000배로 반사 전자상을 촬상했다.

또한, 이 SEM 관찰과 동시에 AgPdNi 합금 시험재에 대하여, AgPd 합금상 및 PdNi 합금상의 조성을 WDS로 분석했다. 이 분석으로부터, 모든 AgPdNi 합금 시험재에 있어서, AgPd 합금상의 조성은 65±3질량％ Ag-35±3질량％ Pd-0.1질량％ 이하 Ni이고, PdNi 합금상의 조성은 62±3질량％ Pd-37±3질량％ Ni-1질량％ 이하 Ag인 것이 확인되었다.

그리고, AgPdNi 합금 시험재에 대하여 촬영한 SEM 사진의 화상 처리를 행하여, 각 합금의 금속 조직에 있어서의 PdNi 합금상의 체적률을 측정했다. 화상 처리는, 얻어진 SEM 화상을 화상 처리 소프트웨어(가부시키가이샤 키엔스제 VK-H1G9)로 처리했다. 화상 처리에서는, SEM 화상을 농담 화상으로 변환하여 2치화를 행하였다. 2치화의 작업은, 농담 화상상에서 농도 레벨값 80을 역치로 하고(전체 화소의 농도 레벨값 0 내지 255), 80 미만을 흑색(PdNi 합금상), 80 이상을 백색(AgPd 합금상)으로 하여 해석하고, 각 합금상의 면적률을 산출했다. 동시에, PdNi 합금상 및 AgPd 합금상의 수직 페렛 직경(SEM 화상에 있어서의 수직 방향의 페렛 직경)을 측정하여, 평균값과 최대 두께를 취득했다. 또한, 이 금속 조직 관찰과 화상 처리는, 관찰 시야를 총 6개소 설정하여 행하고, 그것들로부터 얻어진 각 측정값에 대한 평균값을 평가에 채용했다. 본 발명에서는, 면적률을 체적률에 근사하고 있다. 이와 같이, 6개소 설정된 관찰 시야 전체에 있어서 PdNi 합금상의 면적률 등을 측정함으로써, 깊이도 고려한 검토가 가능하게 된다.

본 실시 형태에서 제조한 AgPdNi 합금 및 종래 합금(AgPd 합금 등)의 조성을 하기의 표 1에 나타낸다. 표 1에는, 각종 AgPdNi 합금에 있어서의 PdNi 합금상의 체적률, PdNi 합금상 또는 AgPd 합금상의 평균 두께 및 최대 두께를 표시했다. 또한, 표 1에 표시한 합금상 두께는, PdNi 합금상이 50체적％ 미만인 AgPdNi 합금(실시예 1 내지 실시예 3, 비교예 1 내지 4)에 대해서는 PdNi 합금상의 두께이고, PdNi 합금상이 50체적％ 이상인 AgPdNi 합금(실시예 4 내지 실시예 7, 비교예 5)에 대해서는 AgPd 합금상의 두께이다.

단, 비교예 6의 Ni양이 과다인 AgPdNi 합금에 관해서는, 시험재로의 가공 시의 손상이 크고 가공 불가로서 합금상의 체적률 등의 검토를 할 수 없었다. 또한, 비교예 7의 Pd양이 과다인 AgPdNi 합금은, PdNi 합금상과 AgPd 합금상의 존재가 인지되지 않았기 때문에, 합금상의 체적률 등의 검토를 할 수 없었다.

본 실시 형태에서 제조한 AgPdNi 합금(실시예 1 내지 실시예 7, 비교예 1, 2, 5) 및 종래 합금의 금속 조직의 관찰 결과(SEM 사진)를 도 4에 나타낸다.

도 4의 SEM 사진에 있어서, 백색 또는 회색의 콘트라스트의 상이 AgPd 합금상이다. 한편, 농회색 또는 흑색의 콘트라스트의 상이 PdNi 합금상이다. 도 4로부터, Ni 함유량이 5％를 명확하게 초과하는 AgPdNi 합금인 실시예 1에 있어서, PdNi 합금상이 차지하는 비율의 증가가 명료하게 되어 있다. 이 PdNi 합금상은 Ni 함유량의 증대와 함께 층형의 외관을 나타내게 된다. 실시예 3 내지 실시예 7의 AgPdNi 합금에 있어서는 층형의 AgPd 합금상 및 PdNi 합금상에 의한 적층 구조의 금속 조직을 나타낸다. 이들 실시예에 대하여, 비교예 1, 2의 Ni 함유량이 낮은(5질량％ 이하) AgPdNi 합금에도, PdNi 합금상의 생성이 인지되지만, 그 양(체적률)은 낮게 되어 있다.

또한, 종래 합금에 관해서는, 종래예 1의 AgPd 합금에서는, 당연히 AgPd 합금상만이 관찰된다. 종래예 2의 Ni 미량 첨가한 AgPd계 합금에서는 미소한 PdNi 합금상의 석출이 인지된다. 또한, 종래예 3, 4에서는, 미량 Ni 및 In을 첨가한 AgPd계 합금에는, 이들 첨가 원소에 의한 석출물이 관찰된다.

이어서, 본 실시 형태에서 제조한 각종 도전 재료에 대하여, 강도 특성의 평가를 행하기 위해, 인장 시험과 경도 측정을 행하였다. 이들 강도 특성의 평가 시험에서는, 풀어닐(어닐 조건 종래예 합금: 700℃ 1시간 유지, 비교예 및 실시예 합금: 900℃ 1시간 유지)을 한 후, 50％ 압연 가공을 더한 판형 샘플(폭 10㎜×길이 20㎜×두께 0.3㎜)을 사용했다. 인장 시험에서는, 인장 시험기(INSTRON사제 5966)에서 인장 속도 10㎜/min으로 인장 시험을 행하여, 미소 신장계에 의해 최대 응력, 0.2％ 내력, 종탄성 계수 및 횡탄성 계수를 측정했다. 그리고, 종탄성 계수와 횡탄성 계수의 값으로부터 강성률을 산출했다. 또한, 경도 측정은 비커스 경도 시험기(SHIMADZU사제 HMV-G)에 의해 행하여, 시험력 2.942N으로 15초간 유지하여 측정했다. 이 강도 특성의 측정 결과를 표 2에 나타낸다. 또한, 이 시험 결과로부터 얻어진, 실시예 1 내지 7, 비교예 1 내지 5의 AgPdNi 합금에 있어서의, PdNi 합금상의 체적률과 강성률의 관계를 도 5에 나타낸다.

각 합금의 강도 특성에 대하여, 종래예의 결과로부터 보면, AgPd 합금(종래예 1)에 Ni을 소량 첨가한 종래예 2의 합금, 또한 In을 소량 첨가하여 석출 강화를 도모한 종래예 3, 4의 합금은, 최대 응력이나 내력의 값이 종래예 1보다도 높게 되어 있다. 즉, Ni의 미량 첨가(결정립 미세화)나, In 등의 첨가(석출 강화)에 의해, AgPd 합금의 강도 특성은 어느 정도 개선되었다고 할 수 있다. 단, 강성률에 대해서는, AgPd 합금(종래예 1)과, 미량 첨가 원소를 포함하는 AgPd계 합금(종래예 2 내지 4)을 대비하면, 차는 그다지 없고 모두 50㎬ 이하이다. 즉, 종래 기술의 방법으로는 강성률의 개선은 불충분하다고 할 수 있다.

이에 비해, 본 발명의 실시예인 AgPdNi 합금(실시예 1 내지 실시예 7)은, 응력 특성뿐만 아니라 강성률도 높은 값을 나타낸다. 이들 실시예의 AgPdNi 합금은, Ni을 5질량％ 초과 포함하고 PdNi 합금상의 체적률이 18체적％ 이상으로 되어 있다. 도 5로부터도 알 수 있는 바와 같이, 이들 실시예의 AgPdNi 합금은, 강성률은 50㎬ 이상이고, 종래예보다도 강도 특성이 향상되어 있다. 이들 강성률이 향상된 실시예의 AgPdNi 합금은, 미끄럼 이동에 의한 전단 응력의 영향을 받기 어려워, 내마모성의 향상에 기여하는 것이라고 생각된다.

무엇보다, 표 2 및 도 5로부터, AgPdNi 합금의 Ni 함유량 및 PdNi 합금상의 체적률에는 일정한 제한을 부여해야 하는 것을 알 수 있다. 즉, Ni 첨가량이 낮은(5질량％ 이하) AgPdNi 합금(비교예 1 내지 3)은, PdNi 합금상의 체적률이 낮아 강성률 향상의 효과가 없다. 또한, Ni 첨가량을 5％ 이상으로 해도, Ag양 및 Pd양이 규정 범위 외인 합금(비교예 4)은, PdNi 합금상의 체적률이 낮아 강성률 향상의 효과가 없다. 한편, Ag 함유량이 10질량％ 미만이고, PdNi 합금상의 체적률이 80체적％를 초과한 비교예 5의 AgPdNi 합금은, 가공 도중(가공률 50％의 단계)에 소성 변형할 수 없게 되어, 재료에 균열이 발생했다. 이 비교예 5의 합금은, 가공성이 떨어져, 본 발명의 취지에 어긋나는 결과로 되었다.

계속해서, 본 실시 형태(실시예 1 내지 실시예 7, 비교예 1, 2, 5, 종래예 1 내지 4)에서 제조한 각종 도전 재료에 대하여, 내열성 평가를 위한 열처리 시험을 행하였다. 이 열처리 시험에서는, 인장 시험에서 사용한 샘플과 동일한 것에 대하여, 400℃, 500℃, 600℃, 700℃, 800℃, 900℃, 1000℃의 각 온도로 30분 유지하고, 각 온도에서 유지 후의 표면 경도를 측정했다. 이 열처리 시험의 결과를 도 6 및 도 7에 나타낸다. 이들 도면에는, 각 합금에 있어서, 경도 변화의 기울기가 0.1 정도로 되어 평형에 도달한 온도를 표시하고 있다.

도 7로부터, 종래예 1 내지 3의 AgPd 합금이나 AgPd계 합금에서는, 600℃ 내지 700℃의 열처리에서 경도가 평형에 도달하여 재결정화되어 있는 것을 확인할 수 있다. 또한, Ni 함유량이 적은 AgPdNi 합금인 비교예 1, 2는, 종래예와 변화없이, 600℃ 내지 700℃ 처리에 의해 경도는 평형에 도달하여 재결정화되어 있다.

한편, 도 6을 참조하면, PdNi 합금상의 체적률이 18체적％ 이상인 실시예 1 내지 7에서는, 900℃ 내지 1000℃의 열처리까지 경도가 평형에 도달하는 일이 없다. 즉, 종래예, 비교예보다도 높은 재결정 온도를 나타내는 것이 확인되었다. 재결정 온도가 높다는 것은, 미끄럼 이동에 의한 마찰열이나 방전에 수반하는 열을 받아도 금속 조직이 조대화·연화되기 어려워, 내마모성 및 내열성의 향상에 기여하는 것이라고 생각된다.

그리고, 본 실시 형태에서 제조한 각종 도전 재료의 시험재에 대하여, 미끄럼 이동 시험기를 사용한 내구 시험을 행하였다. 도 8은, 본 실시 형태에서 사용한 미끄럼 이동 시험기의 구성을 나타낸다. 이 미끄럼 이동 시험기는, 모터의 브러시와 정류자의 관계를 모의적으로 재현한 것이다. 모터를 모의한 시험기를 사용하여 내구 시험을 행한 이유는, 본 발명의 대상인 용도 중, 모터에서 사용되는 도전 재료가 다른 용도보다도 전기적 부하가 큰 상황에서 사용되는 것이 상정되기 때문이다.

도 8의 시험기의 기구는, 워크 1가 가상 정류자이며, 이 부분에 통전을 취하면서 회전시킨다. 그리고, 회전하는 워크 1에 판 스프링형의 가상 브러시(워크 2)를 눌러 시험하는 구조로 되어 있다. 내구 시험에 있어서는, 가상 정류자(워크 1)에 AgNi 합금을 사용하고, 가상 브러시(워크 2)에 본 실시 형태에서 제조한 도전 재료를 사용하고 있다. 또한 시험 조건은 이하와 같고, 기계적 마모와 아크 방전에 의한 소모가 양립되어 발생한다.

· 부하 전류·전압: 2.0A-7.5V

· 회전수: 1500rpm

· 가중: 5gf

· 시험 시간: 3시간

· 가상 정류자 재질: AgNi 합금(Ni: 10질량％)

내구 시험 후, 분리한 시험편에 대하여 Ag 부식액으로 에칭하여 정류자재로부터의 이착층을 제거했다. 그리고, 시험편 표면을 레이저 현미경으로 관찰하여, 초점 심도법으로 마모된 부분의 깊이를 측정하고, 가장 깊은 마모부의 깊이(최대 마모 깊이) 및 마모되어 있는 단면적(마모량)을 측정했다.

본 실시 형태에서 행한 내구 시험의 시험 결과를 표 3에 나타낸다. 또한, 내구 시험 후의 종래예 1과 실시예 4의 합금에 대하여, 소모 부위의 단면 형태를 비교한 SEM 사진을 도 9에 나타낸다.

표 3으로부터, AgPdNi 합금에 대하여, Ag 및 Pd의 함유량을 적절하게 하면서 Ni 첨가량을 5질량％ 초과로 하고, PdNi 합금상의 체적률을 18체적％ 이상으로 함으로써, 종래 기술보다도 마모량 및 마모 깊이가 낮은 도전 재료로 할 수 있는 것이 확인되었다. PdNi 합금상의 체적률의 증가에 수반하여, 마모 깊이 및 마모량이 저감되는 경향이 있다. 내마모성의 평가에 관해서는, 마모량과 마모 깊이를 종합적으로 검토해야 하지만, 양자의 밸런스가 우수하고 내마모성이 특히 양호한 합금은 실시예 3, 실시예 4이다. 이 결과로부터, 내마모성에 관해서는, PdNi 합금상의 체적률을 35％ 이상 55％ 이하 정도로 하는 것이 특히 바람직하다고 추정된다.

또한, PdNi 합금상의 비율이 80체적％를 초과하는 비교예 5에 있어서는, 마모량은 종래예보다도 낮기는 하지만, 상대측(AgNi 합금: 정류자)을 깎아내는 어브레시브 마모의 경향이 강해지고 있었다. 그 때문에, PdNi 합금상의 비율이 과도하게 높으면, 접점 전체의 소모의 밸런스가 부족해진다고 생각된다.

또한, 도 9로부터, 종래예 1(AgPd 합금)의 단면에서는, 기계적 마모부에 있어서, 표층으로부터 약 10㎛의 범위에서 미끄럼 이동 응력의 영향을 받은 변질층이 존재한다. 이에 비해, 실시예 6의 AgPdNi 합금에서는, 변질층의 두께가 표층으로부터 3㎛ 정도의 범위로 억제되어 있는 것을 확인할 수 있다. 이 대비 결과로부터, 실시예의 AgPdNi 합금은, 미끄럼 이동에 의한 실제의 전단 응력을 받아도 소성 변형되기 어렵게 되어 있는 것을 알 수 있다. 또한, 아크 방전 발생 개소에 있어서도, 종래예 1(AgPd 합금)은 심하게 용융되어 표면 조직이 열영향을 받고 있는 것을 확인할 수 있는 한편, 실시예 6의 AgPdNi 합금은, 용융되어 있는 범위가 좁아 아크 방전에 대해서도 내성을 갖는 것이 추정된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 관한 도전 재료는, 종래의 AgPd 합금이나 AgPd 합금에 미량 원소를 첨가한 합금에 대하여, 높은 내구성을 갖는다. 본 발명은, DC 모터나 슬립 링 등의 브러시 외에, 슬라이드 스위치나 가변 저항기에 사용되는 전극이나 접점 재료로서 유용하다.

특히, 마이크로 DC 모터의 브러시에 본 발명에 관한 도전 재료를 적용하는 경우, 정동 전류가 1.0A 이상인 영역의 모터에 비해 본 발명은 유효하다. 정동 전류 1.0A 이상이면, 접점 사이에 아크 방전이 발생하기 때문에, 선행 기술로서 전술한 AgPd 합금에서는, 소모가 심해 단수명이고 브러시 끊김으로 되기 때문이다. 본 발명에 관한 도전 재료는, 기계 마모뿐만 아니라 아크 방전에 대한 내성도 강한 점에서, 종래의 AgPd 합금보다도 모터의 장수명화를 기대할 수 있다. 따라서, 정동 전류가 1.0A 이상인 영역의 모터의 브러시의 구성 재료로서 장수명화를 기대할 수 있다.

Claims (11)

10질량％ 이상 55질량％ 이하의 Ag과, 30질량％ 이상 60질량％ 이하의 Pd과, 5질량％ 초과 45질량％ 이하의 Ni과, 불가피 불순물을 포함하는 도전 재료이며,
Ni 함유량(질량％)과 Ag 함유량(질량％)의 비율(Ni(질량％)/Ag(질량％))이 0.1 이상 5.0 이하이고,
금속 조직에 있어서, AgPd 합금상과 PdNi 합금상을 포함하고, 상기 PdNi 합금상의 체적률이 18체적％ 이상 80체적％ 이하인, 도전 재료.

제1항에 있어서, AgPd 합금상은, 30질량％ 이상 80질량％ 이하의 Ag과 0질량％ 이상 1질량％ 이하의 Ni과 잔부 Pd 및 불가피 불순물을 포함하고,
PdNi 합금상은, 40질량％ 이상 90질량％ 이하의 Pd과 0질량％ 이상 5질량％ 이하의 Ag과 잔부 Ni 및 불가피 불순물을 포함하는, 도전 재료.

제1항 또는 제2항에 있어서, PdNi 합금상의 체적률이 18체적％ 이상 50체적％ 미만이고,
PdNi 합금상의 두께가 0.01㎛ 이상 20㎛ 이하의 범위에 있는, 도전 재료.

제1항 또는 제2항에 있어서, PdNi 합금상의 체적률이 50체적％ 이상 80체적％ 이하이고,
AgPd 합금상의 두께가 0.01㎛ 이상 20㎛ 이하의 범위에 있는, 도전 재료.

Cu 또는 Cu 합금을 포함하는 베이스재에, 제1항 또는 제2항에 기재된 도전 재료를 클래드하여 이루어지는, 클래드 복합재.

제1항 또는 제2항에 기재된 도전 재료의 제조 방법이며,
10질량％ 이상 55질량％ 이하의 Ag과, 30질량％ 이상 60질량％ 이하의 Pd과, 5질량％ 초과 45질량％ 이하의 Ni과, 불가피 불순물을 포함하는 합금 소재를 제조한 후, 소성 가공하는 공정을 포함하고,
상기 소성 가공하는 공정의 총가공률 80％ 이상으로 하는, 도전 재료의 제조 방법.

회전축과,
상기 회전축의 주위에 마련된 정류자와,
상기 정류자에 접촉하여 전류를 공급하는 브러시를 구비하는 DC 모터에 있어서,
상기 브러시는, 적어도 상기 정류자와의 접촉면이 제1 접점 재료를 포함하고,
상기 제1 접점 재료는, 10질량％ 이상 55질량％ 이하의 Ag과, 30질량％ 이상 60질량％ 이하의 Pd과, 5질량％ 초과 45질량％ 이하의 Ni과, 불가피 불순물을 포함하는 도전 재료를 포함하고,
상기 도전 재료의 Ni 함유량(질량％)과 Ag 함유량(질량％)의 비율(Ni(질량％)/Ag(질량％))이 0.1 이상 5.0 이하이고,
상기 도전 재료의 금속 조직에 있어서, AgPd 합금상과 PdNi 합금상을 포함하고, 상기 PdNi 합금상의 체적률이 18체적％ 이상 80체적％ 이하인 것을 특징으로 하는 DC 모터.

제7항에 있어서, AgPd 합금상은, 30질량％ 이상 80질량％ 이하의 Ag과 잔부 Pd 및 0질량％ 이상 1질량％ 이하의 Ni 및 불가피 불순물을 포함하고,
PdNi 합금상은, 40질량％ 이상 90질량％ 이하의 Pd과 잔부 Ni 및 0질량％ 이상 5질량％ 이하의 Ag 및 불가피 불순물을 포함하는, DC 모터.

제7항 또는 제8항에 있어서, PdNi 합금상의 체적률이 18체적％ 이상 50체적％ 미만이고,
PdNi 합금상의 두께가 0.01㎛ 이상 20㎛ 이하의 범위에 있는, DC 모터.

제7항 또는 제8항에 있어서, PdNi 합금상의 체적률이 50체적％ 이상 80체적％ 이하이고,
AgPd 합금상의 두께가 0.01㎛ 이상 20㎛ 이하의 범위에 있는, DC 모터.

제7항 또는 제8항에 있어서, 정류자의 적어도 브러시와의 접촉면이 제2 접점 재료를 포함하고,
상기 제2 접점 재료는, Ag-Ni 합금 혹은 Ag-Cu-Ni 합금, Ag-Cu-Ni-Zn 합금을 포함하는, DC 모터.

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