KR20050123165A - 전기 플러그 접점 및 상기 플러그의 생산을 위한 반제품 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기 아크가 발생하는 공칭전압에서 동작하고, 차량의 직류 전류시스템용 플러그 커넥터 내의 플러그 접점을 생산하기 위한 반제품에 관한 것이다. 이 반제품은 전기 전도체인 본체를 포함하고, 이는 일부에는 본체의 재료보다 비싼 재료의 접점 형성 코팅을 받치고 있는 비싸지 않은 금속 재료로 만들어진다. 본 발명에 의하면 코팅은 적어도 0.3㎛의 두께이며 은이나 은합금과 합금을 형성하지 않거나, 기껏해야 침전 합금을 형성하는 부가물을 포함하는 은 또는 은합금을 포함하며, 부가물은 은보다 높은 녹는점을 가진다.

Description

전기 플러그 접점 및 상기 플러그의 생산을 위한 반제품{ELECTRICAL PLUG CONTACTS AND A SEMI-FINISHED PRODUCT FOR THE PRODUCTION THEREOF}

본 발명은 아크(arc)가 발생할 수 있는 공칭 전압에서 작동하는 전기 DC 배선 시스템의 플러그-인 커넥터를 위한 전기 플러그-인 접점 및 제1청구항의 전문에서 정의된 플러그의 생산을 위한 반제품에 관한 것이다. 특별히, 본 발명은 자동차에 사용되는 플러그-인 접점에 관한 것이다.

오늘날, 객차는 일반적으로 14V의 공칭 전압에서 작동하는 전기 배선 시스템을 갖추고 있다. 주로 사용되는 플러그-인 커넥터 내의 플러그-인 접점은 요구되는 전기 전도율을 제공하는 구리, CuNiSi같은 구리합금, 혹은 스테인리스로 만들어진 본체 및 플러그-인 커넥터에 의한 안전한 접점을 보장하기 위한 탄성을 갖는다. 부식성 대기에서도 안정적인 전기 접점을 실현하는 성질을 보장하기 위해서, 갈바니 증착(Galvanic deposition)에 의한 단단한 금 층(layer), 순은 층 혹은 주석 층을 구비한 플러그-인 접점의 본체 혹은 본체의 반제품이 제공된다. 주석 및 주석합금 층은 불꽃 주석합금 과정에도 자주 사용된다. 암·수 플러그-인 접점을 꽂고 뽑을 때 이전까지 요구되던 주어진 한계조건은(공칭 전압 14V 및 최대 주변온도 150°C-전류에 의한 가열으로 인해 플러그-인 커넥터의 온도가 주변온도보다 추가로 30°C까지 올라갈 수 있다는 것이 고려되어야 한다.) 충분한 정도의 내마모성을 달성하는 상기의 방법으로 가능하게 되었다.

자동차 산업은 미래를 위해 객차 배선시스템의 전압을 42V로 증가시키는 것을 계획했다. 42V의 공칭전압에서 동작하는 직류 전압 전기 배선 시스템에서는, 부하 하에서 플러그-인 커넥터의 플러그를 꽂고 뽑는 것이 플러그인 접점이나 차량에 화재가 발생할 수 있는 전기 아크를 발생시킬 수 있다. 또한, 차량 운행시 발생하는 쇼크는 플러그-인 커넥터 내의 플러그-인 접점 사이에 미세 차단의 원인이 될 수 있고, 이는 전기 아크를 발생시킬 수 있다. 진동이나 플러그의 꽂고 뽑음의 영향에 의해서 전기 아크가 두 접점 표면 사이의 틈에서 발생할 수 있느냐 없느냐는, 사용가능한 전압뿐 아니라 용량성 부하나 유도성 부하가 분리되고 이와 관련된 접점 표면을 특정 물질이 보충할 수 있느냐에 달려있다. 일반적으로, 모든 물질은 전기 아크를 제공하는 접점표면에서 전하운반자가 떨어지기 전에 달성되어야 하는 물리적 환경에 의해 결정되는 일정한 최소 전압을 갖고 있다. 최대 아크 전압을 갖는 물질은 20V의 아크 전압을 갖는 탄소이다; 금속은 모두 12에서 16V 사이의 아크 전압을 갖는다. 14V의 아크 전압에서 동작하는 객차 배선 시스템에서는, 부하 하에서 플러그-인 커넥터의 분리는 플러그-인 커넥터의 분리시 관련된 접점 표면 사이에 형성된 틈에서 요구되는 아크 점화 전압에 도달되지 않게 하도록 폐회로 내에 부하 임피던스가 미리 전압을 떨어트리기 때문에 영구적인 점화 아크를 아직까지는 발생시키지 않는다. 결국, 오늘날의 객차의 상기 접점표면은 전기 아크가 발생할 수 있는 부하에 맞도록 설계되지 않는다.

42V 자동차 배선시스템의 경우 전기 아크가 전기 플러그-인 접점의 분리시 발생할 수 있다는 문제점은 당업계에 잘 알려져 있으며, 이는 심각한 손상과 및 차량 화재를 발생시킬 수 있으며 이는 승객의 안전을 위태롭게 할 수 있다. 또한, 당업자는 전기 배선시스템 및 그것의 모든 구성요소가 42V의 공칭 전압의 요건을 충족시키기 위해 다시 설계되어야 한다는 사실과 상당한 개발 노력이 플러그-인 커넥터 및 스위치기어의 재설계에 필요하다는 사실을 알고 있다. 예를 들어 Thomas J. Schopf의 논문 "자동차 42V 직류 전략배선 내에서의 전기 접점(Electrical Contacts in the Automotive 42V DC Powernet)" 및 2002년 9월 9일부터 12일까지 취리히에서 열린 전기 접점에 관한 20세기 국제회의(21th International Conference on Electrical Contacts)의 회보 43페이지부터 55페이지까지, 특히 52페이지를, 참고할 수 있다. 상기 문서는 아크를 그치게 하기 위한 수단을 연구할 것을 제안한다.

N. Ben Jamaa et al.의 논문 "저전류(1A 미만) 및 전압(12-42V DC)에서의 단기 아크 지속 법칙 및 분포(Short Arc Duration Laws and Distribution as Low Current(<1A) and Voltage(12-42VDC)", 2000년 6월 19일부터 23일까지 스톡홀롬에서 열린 전기 접점에 관한 20세기 국제 회의의 회보 379페이지부터 383페이지는 최단 아크 지속을 보이는 팔라듐과 최장 아크 지속을 보이는 주석을 포함하여 금, 은, 구리, 팔라듐, 주석, 니켈 및 철로 만들어진 접점 표면의 아크 지속을 고려하여 만들어진 연구결과를 알려준다. 하지만, 팔라듐은 자동차 분야에서의 플러그-인 커넥터로 사용되기에는 비경제적으로 매우 비싸다. 상기 언급한 바와 같이, 다른 금속은 요즘의 차량 내의 14V 자동차 전력시스템의 플러그-인 커넥터용 접점 표면에 사용되는 것으로 알려져 있지만 42V 전력시스템의 용도로 사용하기에는 부적합하다.

또 다른 문제는 42V 자동차 전력 시스템에서의 전기 아크의 발생은 접점 표면을 변경하고 높은 접점 전달 저항을 발생시켜 플러그가 분리되지 않도록 용접된 상황에서도 접점에 불필요한 가열이 발생한다는 사실이다.

첨부된 도면은 예를 들어 3% 니켈 및 0.5% 규소(CDA에 의한 재료 No. C7025)를 포함한 구리 합금 스프링을 포함하는 예를 들어 0.5mm 두께의 본체(1) 및 상부에 갈바니 혹은 PVD 과정으로 증착된 2㎛ 두께의 니켈층인 퍼짐 방지 중간층(2)을 구비한 본 발명에 따른 반제품(크게 확대되었고 실제 크기가 아닌)의 구조를 도시한 띠 형태의 반제품의 단면도를 도시한다. 니켈층(2) 상부에는 무게로 5%의 텅스텐 함유량을 갖는 4㎛ 두께의 은 층인 접점 형성 층(3)이 도시되며, 텅스텐은 미세하게 분포된 기계적 혼합을 형성하기 위해 공통으로 스퍼터되어 있다.

본 발명의 목적은 전기 플러그-인 접점 및 전기 플러그-인 접점을 생산하기 위한 반제품을 제공하는 것이며, 상기 플러그-인 접점 및 반제품은 42V 자동차 전력 시스템에서 예상되는 스트레스 하에서 14볼트의 공칭 전압을 위해 설계된 공지된 반제품 및 플러그인- 접점의 개선된 작동상태를 보여줄 것이며 42V 전력시스템에서 사용하기 위해 요구되는 이하 나열된 한계조건을 충족할 것이다.

한편으로는, 커넥터의 본체는 전기 플러그-인 커넥터 내에서 신뢰할 만한 접점 실현을 보장하는 탄성을 구비하여야 한다.

또 한편으로는, 본체는 특히 구부리기에 의해 가공될 수 있도록 충분한 연성이 있어야 한다.

상기 플러그-인 접촉에 사용되기 위해서 제작된 플러그-인 커넥터는 다른 것과 용접되지 않고 부하가 걸린 상태에서 반복적으로 분리되고 결합할 수 있어야 한다.

상기 플러그-인 접촉에 사용되기 위해서 제작된 플러그-인 커넥터는 접점 전송 저항이 용인될 수 없을만큼 증가 하지 않고 반복적으로 분리되고 결합할 수 있어야 한다. 특히 사용된 접점 층은 플러그-인 커넥터의 반복적인 분리 및 결합 작동 후에도 마멸되어서는 안 된다. 실패 없이 자동차의 일반적인 플러그-인 동작 횟수만큼을 수행하여야 한다..

상기 플러그인 접촉은 200°C까지 이르는 주변 온도에서의 사용에 적합하여야 한다.

플러그인 접점 및 플러그인 접점의 제작을 위한 반제품의 가격은 낮아야 한다.

본 발명의 목적은 제1청구항에서 정의된 특징을 갖는 반제품, 제20항에서 정의된 생산 방법 및 제19청구항에서 정의된 특징을 갖는 상기 방법에 의해 달성된다. 본 발명의 유리한 부가적인 발전은 종속항의 내용이다.

본 발명은 상당한 이점을 제공한다.

비싸지 않은 물질로 만들어진 본체의 사용 및 플러그-인 커넥터의 전기접접 형성과 관련하여 적합한 특성을 갖는 코팅의 사용에 의해 기계적 및 전기적 요구가 충족된다.

순은이 고온의 녹는점 측면에서는 바람직하나, 은 혹은 은 합금의 토대위에서 전기 접점을 만드는 코팅을 형성함으로써, 충분히 낮은 접점 전송 저항 및 충분히 높은 부식 저항성을 갖는 접점 표면을 얻을 수 있다. 낮은 접점 전송 저항은 플러그-인 커넥터의 플러그-인 접점이 적게 가열된다는 점에서 적합하다. 적당한 부식 저항은 영구적으로 낮은 접합 전송 저항을 유지할 수 있다는 점에서 적합하다.

순은은 42V 자동차 전력 시스템에서 발생할 수 있는 아크 부하와 관련하여 접점 형성 코팅으로 적합하지 않을 수 있다. 본 발명에 의하여 선택된 약간의 부가물을 함유한 매우 얇은 은 층이나 은합금 층이 이미 42V 자동차 전력 시스템의 플러그-인 커넥터용 플러그-인 접점의 적합성을 상당히 개선하는 효과가 있다는 것은 매우 놀랍다.

본 발명에 의하여 만들어진 얇은 은 층은 아크에 의한 반복적인 부하 후에도 완전하게 같은 자리에 있으며 본 발명에 의해 설계된 플러그의 반복적인 뽑고 꽂음에도 마모되지 않는다.

본체 구성요소의 접점 형성 코팅으로의 이동은 반복된 아크 발생 하에서도 재-합금이 발생하지 않도록 위해 좁은 허용범위 내에 존재한다. 이는 구리를 포함한 본체에서 구리를 사용하는 경우에도 적용된다.

상기 얇은 접점 형성 코팅은 플러그-인 커넥터로 사용하기에 충분히 단단하다.

코팅이 얇기 때문에, 진귀한 은을 사용하는 비용이 낮다.

코팅은 PVD 과정, 특히 스퍼터링(sputtering)에 의해서 낮은 가격으로 증착된다. 이는 증착된 은과 합금되지 않는 미세한 결로 조밀하며 단단한 기계적 혼합에 의한 은 및 부가물을 가능하게 한다. 본체는 미리 정해진 강도를 잃지 않도록 증착(deposition) 과정 동안 충분히 차갑게 유지된다.

리엑티브 PVD 과정의 사용으로, 혼합물, 특히 금속 산화물이 또한 부가물로서 증착된다.

바람직하게는 코팅은 10㎛의 두께를 갖는 것이 좋다. 두꺼운 코팅은 신장, 당기기, 및 아크 대한 저항성을 개선하지만, 객차의 존속기간 동안 실제로 발생하는 신장 및 당기기의 제한된 횟수의 관점에서는-신장 및 당기기는 10번내지 20번 이하로 발생할 것이다-수지가 맞지 않으며, 또 한편으로는 반제품의 가공성을 손상시킨다. 바람직하게는 코팅은 5㎛의 최대두께를 갖도록 선택되는 것이 좋다. 특히 좋은 결과는 0.5㎛에서 5㎛ 사이의 두께를 가지는 코팅에서 달성된다.

놀랍게도, 은이나 은 합금에 대한 소수 첨가물은 이미 충분할 것이다. 무게로 0.2% 정도의 첨가물로 순수한 은이나 은합금 코팅에 비해 현저하게 개량된다. 바람직하게는 무게로 최소 0.5%에서 최대 50%까지 은이나 은합금 내에 포함되는 것이 좋다. 가장 알맞게는, 코팅 내의 첨가물의 범위가 무게로 0.5%에서 15% 사이인 것이 좋다. 첨가물로서 적합한 재료는 텅스텐, 몰리브덴, 흑연, 니켈, 코발트, 산화금속, 특히, 산화 주석, 산화 아연, 탄화 텅스텐, 탄화 몰리브덴 등이다. 특히 본 발명의 목적에 적합한 것은 텅스텐 및 몰리브덴처럼 은 기질의 표면 경계선(grain boundaries)의 미세하게 분포되어 형성되는 내화성 첨가물이다.

본체로서 사용하기에 적합한 것은 이전 기술로 공지된 모두 비싸지 않은 합금으로, 제12청구항에 명명된 재료들이 특히 적합하다.

바람직하게는, 반제품은 연속적인 처리과정에 의해 연속적으로 도금된 띠로 구성되는 것이 좋다. 특히 반제품은 미리 압인(punch)된 띠일 수 있고, 이는 특히 건조 및 냉각 PVD 처리에 의해 연속적으로 도금될 수 있다. 만약 형성된 플러그-인 접점의 윤곽이 선-압인 공정에 의해 윤곽이 명확하게 되는 미리 압인된 띠가 사용된다면, 플러그-인 접점은 간단한 분리 및 절곡 과정에 의한 띠로부터 경제적으로 형성될 수 있다.

PVD 과정에 의한 코팅 증착은, 특히 스퍼터링에 의한, 코팅의 구성이 증착 상황의 변형에 의해 바뀔 수 있는 부가적인 이점을 제공하며 이는 증착 과정 동안 계속된다. 그러므로 접점 형성 코팅의 기계적 및 전기적 특성을 최적화하기 위해서, 은이나 은합금과 합금을 형성하지 않는 부가물에 대해서 코팅이 증감부(gradient)를 형성하도록 하는 것이 가능하다.

그러므로 오랜 기간 동안 접점 형성 코팅의 구성요소 및 특성을 유지하기 위해서, 본 발명은 본체 재료의 구성요소가 접점표면 위의 접점 형성 코팅으로 퍼지는 것을 억제하는 본체와 접점 형성 코팅 사이에 위치한 중간층을 제공하는 부가적인 이점이 있다. 상기 중간층은 예를 들어, 수㎛와 같이 소량의 니켈로 구성된다. 중간층으로서 수㎛와 같이 소량의 은 또한 적합하다. 은(silver)은 본 발명에 의한 반제품이 니켈층이 부러지게 될 정도의 매우 작은 반경으로 구부려질 때 특히 선택되는 재료이다. 중간층의 두께로서 특히 접합한 것은 1㎛에서 5㎛ 특히 2㎛±0.5㎛이다.

아크에 대한 저항성을 테스트하기 위해 구리로 만들어지고 무게로 4%의 텅스텐 함유량을 갖는 은 2㎛ 두께의 층을 구비한 수많은 플러그-인 접점이 직류 42V, 부하전류 1.5A 및 1.75mH 인덕턴스 하에서 20번 분리됐다. 각각의 조작 동안 아크 불꽃이 발생한 20번 분리 조작 후에, 코팅은, 아크 베이스 부분조차도, 타지 않았으며, 용융 과정에 의해 거칠게 됐음에도, 여전히 모든 표면에 걸쳐서 제자리에 있었다. 20번의 아크 노출 후에 접점 형성 표면의 구성요소의 분석은 아크 베이스 부분의 지역에서 무게로 최대 1.5%(매우 용인될 수 있는 수치)의 구리 함유량을 나타냈다.

Claims (25)

1. 전기 아크가 발생하는 공칭전압에서 동작하고, 적어도 일부에는 본체의 재료보다 비싼 재료의 접점 형성 코팅을 지니고 있는 비싸지 않은 금속 재료로 만들어진 전기 전도성 본체를 구비한 차량 내의 DC 전력 시스템용 플러그-인 커넥터 내의 플러그-인 접점을 형성하는 반제품에 있어서, 코팅은 적어도 0.3㎛의 두께이며, 코팅은 은이나 은합금과 합금을 형성하지 않거나 기껏해야 침전 합금을 형성하고 은보다 높은 녹는점을 가지는 부가물을 포함하는 은 또는 은합금으로 구성되는 반제품.
2. 제1항에 있어서, 코팅이 최대 10㎛의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 반제품.
3. 제1항에 있어서, 코팅이 최대 5㎛의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 반제품.
4. 제1항에 있어서, 코팅이 0.5㎛내지 4㎛의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 반제품.
5. 상기 선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 부가물은 무게로 적어도 0.2%의 양으로 은이나 은합금에 포함되는 것을 특징으로 하는 반제품.
6. 상기 선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 부가물은 무게로 적어도 0.5%의 양으로 은이나 은합금에 포함되는 것을 특징으로 하는 반제품.
7. 상기 선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 부가물은 무게로 최대 50%의 양으로 은이나 은합금에 포함되는 것을 특징으로 하는 반제품.
8. 상기 선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 부가물은 무게로 최대 30%의 양으로 은이나 은합금에 포함되는 것을 특징으로 하는 반제품.
9. 상기 선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 부가물은 무게로 최대 15%의 양으로 은이나 은합금에 포함되는 것을 특징으로 하는 반제품.
10. 상기 선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 부가물은 텅스텐, 몰리브덴, 흑연, 니켈, 코발트, 산화금속, 특히 산화 주석 및 산화 아연, 탄화 텅스텐, 탄화 몰리브덴으로 구성된 재료의 그룹에서 선택된 하나 이상의 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 반제품.
11. 상기 선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 코팅은 PVD 처리에 의해, 특히 스퍼터링에 의해, 증착되는 것을 특징으로 하는 반제품.
12. 상기 선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,

    (a) CuNiSi(X): 예를 들어, CDA에 따르면 C7025, C7026으로 나타내어진 재료

    (b) CuFeP: 예를 들어, CDA에 따르면 C194, C19210으로 나타내어진 재료

    (c) CuSn: 예를 들어, CDA에 따르면 C521, C511, C14415으로 나타내어진 재료

    (d) CuZn: 예를 들어, CDA에 따르면 C272, C230, C260으로 나타내어진 재료

    (e) CrSiTi(X): 예를 들어, CDA에 따르면 C18070, C18080, C18090으로 나타내어진 재료

    (f) CuNiSn: 예를 들어, CDA에 따르면 C72500, C19025으로 나타내어진 재료

    (g) CuSnZn: 예를 들어, CDA에 따르면 C663, C425으로 나타내어진 재료

    (h) CuNiZn: 예를 들어, CDA에 따르면 C75700, C77000, C76400으로 나타내어진 재료

    (i) CuBe: 예를 들어, CDA에 따르면 C17100, C17410, C17200으로 나타내어진 재료

    (j) CuTi: 예를 들어, CDA에 따르면 C19900으로 나타내어진 재료

    (k)스테인리스: 이하 표시된 재료

    DIN 17224에 따른 1.4310

    DIN 17440에 따른 1.4311

    DIN 17440에 따른 1.4406

    DIN 17443에 따른 1.4428

    DIN 17440에 따른 1.4429

    DIN 17224에 따른 1.4568

    DIN 17224에 따른 1.4841

    DIN 17006-100에 따른 1.4318, 1.1231, 1.1248, 1.1269, 1.1274, 1.5029로

    구성된 그룹에서 재료가 본체의 재료로서 선택되는 것을 특징으로 하는 반제품.
13. 상기 선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 제품이 띠 형태인 것을 특징으로 하는 반제품.
14. 제13항에 있어서 띠는 미리 압인된 것인 것을 특징으로 하는 반제품.
15. 상기 선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 코팅이 부피로 4% 내지 6%의 텅스텐이나 몰리브덴을 함유한 은으로 구성되고, 두께는 0.5㎛에서 5㎛에 해당되는 것을 특징으로 하는 반제품.
16. 상기 선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 퍼짐 방지 중간층이 본체와 접점 형성 코팅 사이에 제공되는 것을 특징으로 하는 반제품.
17. 제16항에 있어서, 중간층은 은이나 니켈로 구성된 것을 특징으로 하는 반제품.
18. 상기 선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 은이나 은합금 코팅 내의 부가물 농도가 코팅의 깊은 지역보다 코팅의 표면에서 낮은 것을 특징으로 하는 반제품.
19. 상기 선행하는 어느 한 청구항에 따른 반제품으로 만들어진 플러그-인 커넥터용 플러그-인 접점.
20. 특히 42볼트 DC 전력 시스템에서 아크가 발생하는 공칭 전압에서 동작되는 자동차 전력 시스템 내의 제19항에서 정의된 플러그-인 접점을 사용하는 방법.
21. 은보다 녹는점이 높고 은이나 은합금과 합금을 형성하지 않거나 기껏해야 은 혹은 분리합금을 형성하는 부가물을 포함하는 은 혹은 은합금을 구비한 비싸지 않은 금속재료로 구성된, 띠의 PVD 코팅에 의해 제1항 내지 18항 중 어느 한 항의 반제품을 만드는 방법.
22. 제21항에 있어서, 코팅은 스퍼터링에 의해 달성되는 것을 특징으로 하는 반제품을 만드는 방법.
23. 제21항에 있어서, 코팅의 구성요소가 동시에 또는 시간상 겹쳐지는 방식으로 증착되는 것을 특징으로 하는 반제품을 만드는 방법.
24. 제23항에 있어서, 코팅 구성요소의 분리율의 비가 분리 과정 동안 변하는 것을 특징으로 하는 반제품을 만드는 방법.
25. 제24항에 있어서, 부가물의 분리율과 은 혹은 은합금의 분리율 사이의 비율이 분리과정의 끝으로 갈수록 감소하는 것을 특징으로 하는 반제품을 만드는 방법.