KR20010106204A - 전기 전도성 금속 스트립 및 커넥터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기 접촉 유닛을 제조하기 위한 전기 전도성 금속 스트립 및 이것으로 제조된 커넥터에 관한 것이다. 이 금속 스트립은 주석-은 합금으로 이루어지고 용융 기술적으로 피복된 금속 피복층을 가진 구리 또는 구리 합금 모재를 구비하며, 이 피복층은 1 ∼ 3.8 중량％ 범위의 은 분율을 함유한다. 바람직하게는, 피복층의 은 함량은 1.2 ∼ 2.5 중량％ 범위이다. 이 피복층의 은 분율에 의해 특히 모재와 금속 피복층 사이의 결합력과 관련한 유리한 특성이 달성된다. 이와 동시에, 온도 안정성 및 미끄럼 특성이 개선된다. 또한, 안정한 접촉 경계 저항도 보장된다.

Description

전기 전도성 금속 스트립 및 커넥터{ELECTRICAL CONDUCTIVE METAL STRIP AND CONNECTOR}

본 발명은 전기 접촉 유닛을 제조하기 위한 전기 전도성 금속 스트립 및 커넥터에 관한 것이다.

플러그 접촉 커넥터는 전기 공학적인 응용 분야에서 널리 공지되어 있다. 커넥터라는 용어는 원래 전기적으로 도통시키는 접속 장치를 개폐하기 위해 플러그와 플러그 소켓로 이루어진 기계적인 장치를 의미한다. 플러그 접촉 커넥터는 다양한 응용 분야에서, 예컨대 전기 동력 차량, 통신 공학 또는 전자 산업 플랜트에서 이용된다.

그러한 종류의 플러그 접촉 유닛에 대한 통상적인 제조 방법은, 구리 스트립 또는 구리 합금 스트립으로 이루어진 블랭크(blank)를 펀칭 가공하고 나서, 이것을 플러그 접촉 요소로 추가로 가공하는 것이다. 구리는 높은 전기 전도도를 가진다. 부식 및 마모에 대한 보호 뿐만 아니라 표면 경도의 증가를 위해, 구리 또는 구리 합금 스트립은 먼저 주석으로 도금된다. 주석은 우수한 내식성으로 인하여 구리에 대한 도금 소재로서 특히 적합하다. 다른 피복 공정과 더불어 고온 침지 갈바라이징에 의한 피복 작업은 선행 기술에 속한다.

이와 관련하여, 모재의 표면 피복을 위한 다양한 주석 합금, 구체적으로는 주석-은 합금이 공지되어 있으며, 그 이유는 주석 합금이 매우 우수한 접촉 소재 중 하나에 속하기 때문이다.

유럽 특허출원 공고 제0 443 291 B1호에는 전기 커넥터 쌍이 공지되어 있으며, 여기에서 플러그 요소 중 하나의 모재가 순수한 주석 또는 주석-납 합금으로 피복되는 데에 반해, 다른 하나의 플러그 요소는 용융액법(溶融液法)으로 피복되며 특히 10 중량％ 까지의 은을 함유한 합금으로 이루어진 경질의 표면 피복층을 가진다. 은 이외에도, 일련의 다른 합금용 금속도 제안된다. 물론, 이러한 피복층은 질적으로 우수함과 동시에, 낮은 접촉 저항과 가능한 낮은 삽입력 및 당김력을 가진 커넥터를 제조하기 위한 것이다.

독일 특허출원 공고 제44 43 461 C1호에 따른 제안은 5 중량% 까지 코발트를 함유한 주석 합금으로 이루어지고 용융 상태에서 피복된 표면 피복층을 제공한다. 이 주석 합금은 코발트 외에도 비스무스 및 인듐, 그리고 다수의 다른 합금 원소를 함유할 수도 있다.

공지된 금속 스트립 또는 이것으로 제조된 커넥터는 실용적인 것으로 입증되었다. 그러나, 기계적 및 전기적 특성과 관련하여 접촉 유닛에 대한 기술적 및 질적 요구가 점진적으로 증가하고 있다. 특히, 이 점은 어렵거나 공격적인 주변 조건 하에서 접촉 유닛을 이용하는 경우에 적용되며, 예컨대 전기 동력 차량, 여기에서는 무엇보다도 엔진 전자 장치의 커넥터에 적용된다. 그와 같은 어려운 이용 조건 하에서는, 무엇보다 피복층의 온도 안정성, 응력 완화 안정성, 부식 강도 및 결합력과 관련한 요구가 발생할 수 있으며, 이들 특성에 있어서 공지된 접촉 유닛은 그 한계에 직면하고 있다. 특히, 전단 및 굴곡을 필요로 하는 유닛의 경우, 표면 피복층의 박피(박리)가 관찰된다.

따라서, 이러한 선행 기술에서 출발한 본 발명은 전기 접촉 유닛, 구체적으로는 커넥터를 제조하기 위한 전기 전도성 금속 스트립에 요구 조건에 부합하는 온도 안정성과 표면 경도, 우수한 미끄럼 특성 및 안정한 접촉 경계 저항을 보장하면서 모재와 피복층 사이의 개선된 결합 특성을 제공하는 것에 목적을 두고 있다.

본 발명에 따르면, 이러한 목적은 청구범위 제1항에 따른 전기 전도성 금속 스트립 및 이 스트립으로부터 제조된 청구범위 제9항에 따른 커넥터에 의해 달성된다.

1 ∼ 3.8 중량％ 범위의 은 분율을 가진 주석-은 합금으로 이루어진 피복층에 의해 지금까지 달성하지 못한 특성인 모재와 금속 피복층 사이의 결합력이 달성되는 것으로 밝혀졌다. 은을 추가로 합금하게 되면, 표면 경도가 향상된다. 그러나, 이와 동시에 금속 피복층의 취성이 증가하며, 이는 기본적으로 결합력에 불리하게 작용한다. 이러한 기본적인 법칙과는 대조적으로, 1 ∼ 3.8 중량％ 범위, 바람직하게는 1.2 ∼ 2.5 중량％ 범위의 은 분율은 불리한 특성을 충분하게 보상할 수 있다(청구항 제2항). 이와 동시에, 온도 안정성 및 미끄럼 특성과 관련한 유리한 결과가 달성될 뿐만 아니라, 안정한 접촉 경계 저항이 보장될 수 있다.

청구항 제3항에 청구된 바와 같이, 주석-은 합금에 실제로는 10 중량％ 까지, 그렇지만 바람직하게는 0.1 ∼ 5 중량％ 범위의 인듐이 추가로 첨가되는 경우, 실제 융점이 하강하고, 전체적으로는 외부의 요구 조건에 대한 안정성이 향상된다. 이에 의해 납땜 특성에 추가적으로 유리하게 영향을 미친다.

모재는 1 ∼ 4 중량％ 범위의 니켈 분율 뿐만 아니라 0.08 ∼ 1 중량％ 범위의 실리콘 분율을 가진 구리-니켈-실리콘 합금으로 이루어지는 것이 바람직하다(청구항 제4항). 이러한 기본 합금에는 1.0 중량％ 까지, 또는 2.0 중량％ 까지의 주석 및 아연 분율이 추가로 합금될 수 있다. 또한, 추가 합금하게 되면, 다른 합금 금속이 생길 수 있으며, 이에 의해 금속 피복층의 기계적인 특성과 금속간 상(相)의 결정립도 및 균일성에 대한 영향이 금속 스트립의 각각 용도에 맞게 조정될 수 있다.

특히, 모재에 대한 실험에 있어서 유리한 결과는 청구항 제5항에 따라 달성된다. 구리 합금에는 1.4 ∼ 1.7 중량％ 범위의 니켈 분율이 추가로 합금된다. 실리콘 분율은 0.2 ∼ 0.35 중량％ 범위에 속한다. 실질적으로 주석 및 아연을 중량 백분율로 표시하면, 주석은 0.02 ∼ 0.3 중량％ 범위이고, 아연은 0.01 ∼ 0.35 중량％ 범위이다.

모재와 피복층 사이의 금속간 상(相)은 동일한 크기의 매우 미세한 결정립이다. 이에 의해 본 발명에 따른 금속 스트립은 우수한 소성, 특히 우수한 가요성, 높은 전단 강도 및 낮은 탄성율 뿐만 아니라 높은 크리프 저항을 가진다.

모재는 다른 합금 금속을 추가로 합금함으로써 개질된다. 이와 관련하여, 특히 은을 실제로는 0.02 ∼ 0.5 중량％ 범위, 바람직하게는 0.05 ∼ 0.2 중량％ 범위로 첨가하면 유리한 영향을 미친다(청구항 제6항). 합금 성분 중 아연과 은은 모재와 주석-은의 피복층 사이의 금속간 상(相)의 확산 거동에 영향을 준다. 주석층으로 구리의 확산에 의해 불가피하게 생기는 구리-주석 상은 이것이 형성될 때 특히 소위 ε-상의 형성을 지체 및 방해시킨다는 의미에서 온도 및 시간에 영향을 받는다. 이에 의해, 모재와 피복층 사이의 실질적으로 개선된 결합력이 보장된다. 따라서, 피복층의 탈피 현상 또는 박리가 금속 스트립으로 제조된 커넥터의 불리하면서도 어려운 이용 조건에 있어서도 높은 온도 및 긴 시간 쪽으로 이동된다.

150 ℃ 이상의 온도에서 피복층의 시효 파괴 가능성에 대한 본질적인 원인은 조직에 있어서 높은 확산 속도로 인한 모재와 피복층 사이의 상 경계에서 시작하여 소위 η-상(Ｃu₆Ｓn₅)에서 ε-상(Ｃu₃Ｓn)으로의 과비례적인 신속한 변태에 기인한다. 이제, 본 발명은 ε-상의 존재가 모재와 피복층 사이의 경계에서 필연적으로 박리를 발생시키지 않고, 변형 과정에 의해 생긴 커넥터의 응력 상태와 관련되어 있지 않다는 것을 인식하게 된다. ε-상의 형성이 중지되거나 방해된다면, 이것은 피복층의 장시간 안정성 및 금속간 상에 유리한 영향을 미친다.

모재 중에 존재하는 아연과 은 뿐만 아니라 니켈도 본 발명에 따라 제공된 이들 원소의 분율에 있어서 확산 과정이 일어날 때와 이 확산 과정이 특히 상 경계에서의 농축에 의한 금속간 상의 형성에 관여할 때에 모재와 피복층 사이의 균일한 높은 결합력을 가진 화합물로 인해 η-상에서 ε-상으로의 신속한 변태를 억제시키거나 실질적으로 지체시키는 데에 적합하다.

또한, 청구범위 제7항에 청구된 바와 같이, 0.35 중량％ 까지, 바람직하게는 0.005 ∼ 0.05 중량％ 범위의 지르코늄을 첨가하면, 내식성 및 온도 안정성이 향상된다.

마그네슘은 합금의 온도가 상승할 때 응력 완화 특성 및 강도를 향상시키고, 상술한 바와 같이 주성분인 구리에 기인하는 전기 전도도를 약간만 감소시킨다. 마그네슘은 구리 모재에서 분해되어, 청구범위 제8항에 따라 모재 중에 0.1 중량％ 까지의 분율로 제공된다. 또한, 모재는 나중에 0.05 중량％의 분율까지 인을 함유할 수 있다. 인은 온도가 상승할 때 강도 및 응력 완화 특성을 향상시키기 위한 마그네슘과 함께 탈산제로서 작용한다. 인 성분은 변형 과정 동안 금속 스트립의 복원력을 유지하는 데에 기여한다.

소성 및 열간 압연성의 개선은 0.1 중량％ 까지의 철 분율을 통해 달성될 수 있다. 또한, 철 성분은 니켈 화합물 및 실리콘 화합물의 석출시 결정입의 크기를 감소시켜 크랙 조직의 형성을 저지하며, 이것은 다시 모재와 피복층 사이의 결합력에 유리하다.

본 발명에 따른 금속 스트립은 융융 상태에서 피복되고 주석-은 합금으로 이루어진 금속 피복층을 가진 구리 또는 구리 합금 모재를 구비하며, 이 피복층은 1 ∼ 3.8 중량％ 범위, 바람직하게는 1.2 ∼ 2.5 중량％ 범위의 은 분율을 함유하며, 이 피복층의 은 분율에 의해 모재와 금속 피복층 사이의 결합력과 관련한 특히 유리한 특성이 달성됨과 동시에, 온도 안정성 및 미끄럼 특성이 달성되며, 또한 안정한 접촉 경계 저항이 보장된다.

Claims (9)

1. 커넥터와 같은 전기 접촉 유닛을 제조하기 위한 전기 전도성 금속 스트립으로서, 주석-은 합금으로 이루어지고 용융 기술적으로 피복된 금속 피복층을 가진 구리 또는 구리 합금의 모재를 구비하며, 상기 모재와 피복층 사이에는 금속간 상(相)이 형성되는 전기 전도성 금속 스트립에 있어서,

   상기 피복층은 1 ∼ 3.8 중량％ 범위의 은 분율을 가진 주석-은 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기 전도성 금속 스트립.
2. 제1항에 있어서, 상기 피복층의 은 함량은 1.2 ∼ 2.5 중량％ 범위인 것을 특징으로 하는 전기 전도성 금속 스트립.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 주석-은 합금은 10 중량％ 까지, 바람직하게는 0.1 ∼ 5 중량％ 범위의 인을 함유하는 것을 특징으로 하는 전기 전도성 금속 스트립.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 모재는, 중량％로 표시하여,

   니켈(Ｎi) 1.0 ％ ∼ 4.0 ％

   실리콘(Ｓi) 0.08 ％ ∼ 1.0 ％

   주석(Ｓn) 1.0 ％ 까지

   아연(Ｚn) 2.0 ％ 까지

   가능한 추가의 합금 성분 뿐만 아니라 불가피한 불순물을 포함한 나머지로서 구리로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기 전도성 금속 스트립.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 모재는, 중량％로 표시하여,

   니켈(Ｎi) 1.4 ％ ∼ 1.7 ％

   실리콘(Ｓi) 0.2 ％ ∼ 0.35 ％

   주석(Ｓn) 0.02 ％ ∼ 0.3 ％

   아연(Ｚn) 0.01 ％ ∼ 0.35 ％

   가능한 추가의 합금 성분 뿐만 아니라 불가피한 불순물을 포함한 나머지로서 구리로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기 전도성 금속 스트립.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 모재는 0.02 ∼ 0.5 중량％ 범위, 바람직하게는 0.05 ∼ 0.2 중량％ 범위의 은(Ag)을 함유하는 것을 특징으로 하는 전기 전도성 금속 스트립.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 모재는 0.35 중량％ 까지, 바람직하게는 0.005 ∼ 0.05 중량％ 범위의 지르코늄(Zr)을 함유하는 것을 특징으로 하는 전기 전도성 금속 스트립.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 모재는 0.1 중량％ 마그네슘(Mg), 0.05 중량％ 까지의 인(P), 또는 0.1 중량％ 까지의 철(Fe)을 함유하는 것을 특징으로 하는 전기 전도성 금속 스트립.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 금속 스트립으로 이루어진 커넥터.