KR20090058637A - 교반관법에 의한 철이 첨가된 은 합금의 제조방법 - Google Patents

Abstract

교반관법을 이용하여 철(Fe)이 함유된 은(Ag) 합금의 제조방법에 개시된다. 이 방법은 용융 기지 금속을 수용한 실린더형 용기안의 교반자를 회전시키면서 철 분말을 첨가함으로써 철이 은 또는 은 합금과 같은 기지 금속에 철이 균일하게 분산될 수 있도록 한다. 은과 철은 상온에서 고용도가 거의 없지만, 이와 같은 교반관법을 이용하면 매우 높은 분포 균일도를 얻을 수 있다. 이렇게 제조된 철이 함유된 은 합금은 전기접점재료 제조시, 은 합금이 본래 가지는 우수한 도전성 등의 전기적 특성과 가공성 및 스폿 용접성을 저하시키지 않고, 복잡한 형상의 접점 또는 경부하로부터 중부하의 접점에 넓게 사용될 수 있다.

교반관법, 고용도, 은, 철, 전기접점재료

Description

교반관법에 의한 철이 첨가된 은 합금의 제조방법 {METHOD FOR MANUFACURING IRON ADDED SILVER ALLOY BY USING ROTATION CYLINDER METHOD}

본 발명은 철이 첨가된 은 합금을 제조하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 교반관법을 이용하여 철이 첨가된 은 합금을 제조함으로써 은 또는 은 합금에 철이 균일하게 분산된 미세 합금을 얻음으로써, 이를 이용한 전기접점재료 제조시 은 합금이 본래 가지는 우수한 도전성 등의 전기적 특성과 가공성 및 스폿 용접성을 저하시키지 않고, 복잡한 형상의 접점이나 경부하로부터 중부하의 접점에 이르기까지 넓게 사용될 수 있는 철이 첨가된 은 합금 및 그의 제조방법에 관한 것이다.

종래로부터 전기접점재료로서 여러 가지의 것들이 사용되지만, 가장 널리 사용되고 있는 것은 은-카드뮴계 합금으로 중전류 이하 영역에서 광범위하게 사용되며 전기접점 총수요량의 90% 이상을 차지하고 있다.

그러나 은-카드뮴계 전기접점재료는 내마멸성, 전기전도도 및 접촉저항등의 특성이 우수한 재료이지만, 최근 카드뮴의 유해성과 함께 내 용착성의 불량이 문제 되고 있으며, 또한 카드뮴이 산화 전에 선택적으로 증발하기 때문에 표면부분에서의 용질농도가 감소하게 되므로 조직에서의 불균일도가 심하게 나타나는 문제가 발생되고 있다.

은 및 은 합금을 기지금속으로 하는 합금(이하, 은 합금)은, 해당 원소를 용융상태로 혼합시킨 뒤 냉각시켜서 제조하는 통상적인 합금 제조 방식으로는 제조하기 어렵다. 이는, 도1의 은-철의 상태도에서 보여주는 바와 같이, 은과 철이 상온에서 고용도가 거의 없기 때문이며, 합금의 용해 후 냉각 중에 은과 철의 고용도는 완전히 없어지게 된다. 따라서, 결과적으로 통상적인 합금 제조 방식으로 제조된 합금은 합금 원소로 첨가된 철이 은의 기지 중에 불규칙하게 편성되는 조직만을 얻게 된다. 따라서, 은-철 합금재료는 은과 철의 미세한 분말을 균일하게 상호 혼합하여 성형, 소결하는 분말야금법이 이용되고 있었다.

분말야금법으로 은-철 합금분말을 제조하는 방법은 첫째, 화학적인 방법을 이용하여 습식으로 분말을 제조하고 은과 철을 공침시켜 분자 단위에서 혼합시켜 제조하는 방법과 둘째, 은과 철을 함께 용해한 후 아토마이징하여 직접 합금 분말을 만드는 방법이 있다.

그러나 상술한 전자의 방법은 유사한 특성의 전기접점재료를 제조할 수 있으나 그 공정이 복잡하여 대량 생산에는 많은 어려움이 있으며, 후자의 방법은 대량 생산에는 적합하나 고가의 장비가 필요하고 재료의 손실량이 큰 단점이 있다.

또한 상기 분말야금법으로 은-철 합금 제조시, 조직을 미세/균질화 시키기 위해서는 분말의 입자를 가능한 한 작게 제조할 필요가 있는데, 분말의 입자가 미 세화할수록 분말가격이 급격히 상승하고, 취급이 힘들어 균일하게 혼합하기 어려운 공정상의 문제가 발생하고, 개폐시에 발생하는 아크(Arc)열에 의해 은-철 합금 본래의 특징인 안전한 접촉 특성을 손상시키고, 온도 상승 등에 의해 내 용착성을 저하시키는 문제점이 있다.

또한 국내등록특허번호 제46680호는 회전액 분무법을 사용하여 고용도가 전혀 없는 두 금속을 혼합하여 제조하였다. 국내등록특허번호 제46680호는 회전액 분무법을 이용하여 금속을 급냉 및 응고시켜 분말 형태의 도전성 복합재료를 만드는 방법이다. 또한 매우 고온(1700℃ 이상)에서 행해지는 방법으로써 Ag 및 Fe 금속을 모두 완전용해하여 제조하는 방법이다. 이러한 회전액 분무법에 의해 제조된 분말 형태의 도전성 복합재료는 반드시 추가 공정을 거친 후에, 제품에 적용될 수 있는 2차 가공이 이루어진다. 추가 공정으로는 분말을 혼합시키는 혼합과정(Mixing), 혼합된 분말을 일정 형태로 만들기 위한 압축(Compaction) 및 압입(Canning)과정을 거치게 된다. 또한 압입상태에서의 가스를 배출시키는 가스배출과정(Degassing)을 수행하게 된다. 이에 따라, 국내등록특허번호 제46680호는 공정수가 늘고, 추가 공정을 위한 장치가 추가로 요구되는 등 경제성이 떨어지고, 분말형태를 가공하여 제조하므로 기계적 특성이 떨어지는 단점이 있다.

한편, 용탕 교반법은 기지재를 용융시킨 후 용탕 중에 강화상의 첨가와 동시에 교반자에 의해 교반이 이루어져 강화상을 균일하게 분산시키는 방법으로 제조공정이 간단하고 매우 경제적이며, 강화재 프리폼(preform) 제조가 필요 없어 복합재료를 제조하는 방법으로 자주 이용 되고 있다. 그러나 대기 중에서 일반적인 교반 자를 이용하여 합금을 제조할 경우 용탕의 낮은 점성으로 인하여 입자의 부유, 젖음성 불량이 발생하고 도가니 내부의 바닥 주위로 입자가 쌓이게 된다. 이를 제어하기 위해서 강한 교반이 필요하나 이럴 경우 가스나 입자가 뭉친 상태에서 혼입되어 결함이 발생하게 된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 교반관법을 이용하여 은 또는 은 합금에 철을 미세하게 균일 분산시키는 은 합금의 제조방법을 제공하는 목적을 갖는다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 철이 첨가된 은 합금의 제조방법은: (1) 은 또는 은 합금의 용융물을 준비하는 단계; (2) 세로로 설치된 실린더형 교반관을 이용하여 상기 용융물을 교반시키면서, 교반 중인 용융물에 분말 (또는 Chip 형태) 형태의 철을 1 내지 10 중량% 첨가하는 단계; 및 (3) 상기 철이 첨가된 용융물을 주조하는 단계를 포함한다.

바람직하게 상기 단계 (2)에서 상기 용융물은 1050℃ 내지 1250℃로 유지될 수 있다.

또한 바람직하게 상기 단계 (2)에서 상기 실린더형 교반관을 600 내지 1000rpm의 속도로 회전시킬 수 있다.

또한 바람직하게 상기 분말 형태의 철은 5 내지 60㎛의 사이즈를 가질 수 있 다.

또한 바람직하게 상기 단계 (2)에서 첨가되는 철의 전체 량은 정해진 시간 동안 정해진 량을 연속적으로 또는 분할하여 첨가하여 달성될 수 있다.

또한 바람직하게 상기 단계 (2)에서 첨가되는 분말 형태의 철은 상기 실린더형 교반관을 통해 투입될 수 있다.

또한 바람직하게 상기 단계 (3) 이후에, 대략 700 ℃ 10 내지 20 시간의 균질화처리를 수행할 수 있다.

상기와 같은 본 발명에 의한 교반관법을 이용하여 철이 첨가된 은 합금의 제조방법에 따르면, 경제적인 방식으로 기지 금속 내에 철이 균일하게 분산될 수 있고, 그에 따라 내 용착성 및 내 소모성 등의 접점 특성을 크게 높인 은-철 합금을 얻을 수 있다.

특히, 본 발명은, 분말형태로 제조되는 종래기술의 회전액 분무법과는 달리, 다양한 형태와 크기를 가지는 빌렛 또는 주조품으로 제조가 가능하다. 더욱이 Ag만을 용융상태로 하고 Fe 분말 (또는 Chip 형태)을 용융상태의 Ag 기지에 첨가하므로 상대적으로 매우 낮은 온도 (1300℃이하)에서 공정을 수행하여 경제적으로 매우 큰 이점을 가지며, 또한 혼합(Mixing), 압축(Compaction) 및 압입(Canning)과정 등의 추가적인 공정 없이 제품에 적용될 수 있는 형태로 용이하게 바로 가공될 수 있는 특징이 있다.

이하에서 본 발명에 따른 예시적인 실시예가 설명되지만, 본 발명은 공지되거나 현존하는 많은 기술을 이용하여 실현될 수 있음을 먼저 이해하여야 한다. 본 발명은, 여기에 도시되고 설명된 예시적인 실현, 도면, 및 아래에 설명된 기술에 결코 한정되지 않으며, 첨부된 청구범위 및 그 균등물의 모든 범위 내에서 수정될 수 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 용탕교반법의 장점과 문제점들을 보완한 새로운 교반관법(Rotation Cylinder Method)을 이용하여 Ag-Fe계 접점소재를 제조에 적용하고자 하였다. 교반관법은 일반적으로 사용하는 교반자 대신 특별히 제작한 실린더형 교반관을 이용하여 입자 뭉침이나 기공을 제거하고, 합금 제조시 안정한 용탕 표면을 유지하여 Fe 입자의 양호한 젖음을 도모하며, Fe 입자가 원심력에 의해 도가니 벽에 쌓이는 것을 방지하고 용탕의 난류를 방지할 수 있는 공정이다. 이러한 교반관법을 접점소재 제조에 적용한다면 높은 단가의 분말소재를 벌크소재로 교체할 수 있으며, 공정의 단순화로 제조원가 또한 낮출 수 있을 뿐만 아니라 균일한 분산으로 인한 우수한 접점 특성을 얻을 수 있다.

이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 교반관법을 이용하여 철이 첨가된 은 합금 제조방법에 적용되는 장치를 도시한 도면이다. 도 3은 본 발명의 교반관법을 이용하여 철이 첨가된 은 합금 제조방법의 공정 흐름도이다.

먼저, 도 2를 참조하여 본 발명에 이용되는 제조장치를 설명한다. 본 발명의 교반관법을 적용할 수 있는 장치는, 은 또는 은 합금 기지 금속 용융물이 수용되어 있는 스틸 도가니(11), 상기 스틸 도가니(11)를 가열하도록 설치된 전기저항로(Electric Resistance furnace), 스틸 도가니(11) 내에 수용된 용융물을 교반할 수 있도록 세로로 설치된 실린더형 교반관(9: Rotation cylinder), 및 상기 교반관(9)를 회전시키는 회전 구동부를 포함한다.

그리고 회전 구동부는 모터(1)와 벨트(5)를 포함한다. 도면 부호 4는 토크 검출기(4 : Torque detector)이다. 교반관(9)는 베어링부(7)를 이용하여 지지될 수 있고, 상부가 투입구의 역할을 한다. 또한 교반관(9)의 하부 부위에는 교반자(10; agitator)가 형성되어 있다. 스틸 도가니(11)에는 열전대(8: Thermocouple)가 연결된다.

교반관법은 이렇게 이루어진 장치를 통해, 세로로 설치된 실린더형 교반관(9)을 회전시켜서 도가니 내의 은 용융물을 교반하면서 철 분말을 투입하는 방식으로 행해진다. 세로로 설치된 실린더형 교반관(9)이 회전되는 동안, 교반관(9)의 외면에는 U-형의 용융물 표면이 형성된다. 이는 회전하는 교반관(9)의 주변에는 대략 수평 방향의 원심력과 수직방향의 중력이 동시에 작용하기 때문이다. 즉, 원심력과 중력의 합력의 방향으로 힘이 작용하게 되고, 교반관(9) 주변에 U-형 용융물 표면이 형성되는 것이다. 결국 힘의 방향은 U-형 용융물 표면과 직각방향으로 작용하기 때문에 U-형 표면을 중심으로 사방으로 퍼지는 형태를 갖게 된다. 마찬가지로, 투입된 철 분말 들도 힘의 작용방향을 따라 고르게 분산될 수 있다.

이와 같은 교반관법은 은-철 합금과 같이 접점 재료로서 매우 우수하나 상호 고용도가 거의 없어서 제조가 난해한 합금에 매우 접합하다고 할 수 있다.

이하에서는 도 3을 참조하여 본 발명의 제조방법을 상세하게 설명한다.

먼저, 스틸 도가니(11)에 은 또는 은 합금을 포함하는 기지금속 용융물을 준비한다(100). 이는 통상적인 방식과 같이, 스틸 도가니(11)에 은 또는 은 합금 재료를 장입한 후 전기저항 로(12)를 통해 열을 가함으로써 행해질 수 있다.

이어, 세로로 설치된 실린더형 교반관을 이용하여 용융물을 교반시키면서, 교반 중인 용융물에 분말 형태의 철을 1 내지 10 중량% 첨가한다(200). 이때 용융물은 1050℃ 내지 1250℃로 유지될 수 있고, 실린더형 교반관은 600 내지 1,000rpm의 속도로 회전시킬 수 있다. 또한 분말 형태의 철은 5 내지 60㎛의 사이즈를 가질 수 있다. 첨가되는 철의 전체 량은 정해진 시간 동안 정해진 량을 연속적으로 또는 분할하여 첨가하여 달성될 수 있다. 이를테면, 아래 실시예의 경우는 5g/min 의 속도로 투입하였다. 또한 바람직하게 첨가되는 분말 형태의 철은 상기 실린더형 교반관을 통해 투입될 수 있다. 여기서 사용되는 도가니는 스틸 도가니(11) 외에 금형, 세라믹형 및 그라파이트 중 어느 하나일 수 있다.

철이 첨가된 용융물을 제조(주조) 한다(300). 대략 1,100℃의 온도에서 예를 들어 그라파이트 주형을 이용하여 빌렛 등으로 제작한다. 여기서 사용되는 주형은 금형, 세라믹형 및 그라파이트 중 어느 하나일 수 있다. 또한, 주조공정은 중력주조 및 진공주조공정 중 어느 하나의 공정일 수 있다.

(실시예)

Ag-10wt.% Fe를 제조하기 위해 그래인 타입(Grain Type)의 순도 99.9% 순수- Ag와 칩 타입(chip type)의 순도 99.9% 순수-Fe를 도 1의 장치를 통해 교반관법으로 압출용 빌렛(billet)를 제조하였다.

먼저 Ag를 도가니(11)에 용해하여 1,150℃를 유지한 상태에서 교반관(9)를 이용하여 교반함과 동시에 Fe를 첨가하여 합금을 만들었다.

교반관(9)은 도가니(11)의 바닥으로부터 2㎝ 위로 떨어진 곳에 위치시켰다. 교반관의 회전속도를 800rpm으로 하였으며 Fe은 균일한 분산을 위해 5g/min의 속도로 첨가하였다.

준비된 압출 빌렛 제조용 그라파이트 주형(Mold)를 300℃로 예열 한 후, 1,100℃에서 용탕을 주입하여 도 3과 같은 압출용 빌렛을 만들었다.

제조된 빌렛을 700℃에서 18시간 균질화 열처리를 한 후 스캘핑(Scalping)을 하여 산화물 등과 같은 표면의 결함들을 제거하였다.

아래의 표 1은 본 발명의 철이 첨가된 은 합금 제조방법으로 제조된 빌렛을 EDX로 성분 분석한 결과이다.

조성	Fe(wt%)	Ag(wt%)
Ag-10wt%Fe	13	87

첨부 도면 중, 도 5는 본 발명의 일실시 예에 따른 철이 첨가된 은-철 합금의 횡단면 50배 확대도이다. 사진에서 알 수 있는 바와 같이 철 입자의 분산 균일도 매우 높다는 것을 알 수 있다.

첨부 도면 중, 도 6은 본 발명에 따른 철이 첨가된 은-철 합금의 에너지 분산형 분광기 (EDX) 분석결과도이다.

상기 도면중 도 5에 나타나는 바에 의하면, 본 발명의 제조방법에 의하여 얻어지는 철이 첨가된 은 합금에 있어서, 기지를 이루는 은(Ag)속에 철(Fe) 입자가 균일하고 미세하게 고용되어 있음을 알 수 있다.

또한 상기 도면 중, 도 6에 나타나는 바에 의하면, 도 5에서 보여주는 성분들이 은(Ag)과 철(Fe)의 합금임을 알 수 있다.

본 발명의 실시예가 제공되었지만, 개시된 실시예는, 본 발명의 사상과 범위에서 벗어남 없이, 다른 많은 특정 형태로 구현될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 본 발명은 여기에 주어진 상세한 설명에 제한되지 않고, 모든 범위의 균등물과 더불어 첨부된 청구범위 내에서 수정될 수 있다.

도 1은 은-철의 상태도;

도 2는 본 발명의 교반관법을 이용하여 철이 첨가된 은 합금 제조방법에 적용되는 장치를 도시한 도면;

도 3은 본 발명의 교반관법을 이용하여 철이 첨가된 은 합금 제조방법의 공정 흐름도;

도 4는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 철이 첨가된 은-철 합금의 빌렛의 사진; 및

도 5는 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 철이 첨가된 은-철 합금의 50배 확대도; 및

도 6은 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 철이 첨가된 은-철 합금의 에너지 분산형 분광기 (EDX) 분석 결과도.

Claims (12)

1. 철이 첨가된 은 합금 제조방법에 있어서:

   (1) 은 또는 은 합금의 용융물을 준비하는 단계;

   (2) 세로로 설치된 실린더형 교반관을 이용하여 상기 용융물을 교반시키면서, 교반 중인 용융물에 분말 또는 칩 형태의 철을 1 내지 10 중량% 첨가하는 단계; 및

   (3) 상기 철이 첨가된 용융물을 주조하는 단계를 포함하는 철이 첨가된 은 합금의 제조방법.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 단계 (2)에서 상기 용융물은 1050℃ 내지 1250℃로 유지되는 것을 특징으로 하는 철이 첨가된 은 합금의 제조방법.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 단계 (2)에서 상기 실린더형 교반관을 600 내지 1000rpm의 속도로 회전시키는 것을 특징으로 하는 철이 첨가된 은 합금의 제조방법.
4. 청구항 1에 있어서,

   상기 분말 형태의 철은 5 내지 60㎛의 사이즈를 갖는 것을 특징으로 하는 철이 첨가된 은 합금의 제조방법.
5. 청구항 1에 있어서,

   상기 단계 (2)에서 첨가되는 철의 전체 량은 정해진 시간 동안 정해진 량을 연속적으로 또는 분할하여 첨가하여 달성되는 것을 특징으로 하는 철이 첨가된 은 합금의 제조방법.
6. 청구항 1에 있어서,

   상기 단계 (2)에서 첨가되는 분말 형태의 철은 상기 실린더형 교반관을 통해 투입되는 것을 특징으로 하는 철이 첨가된 은 합금의 제조방법.
7. 청구항 1에 있어서,

   상기 단계 (2)에서 사용되는 도가니는 금형, 세라믹형 및 그라파이트 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 철이 첨가된 은 합금의 제조방법.
8. 청구항 1에 있어서,

   상기 단계 (3)에서 사용되는 주형은 금형, 세라믹형 및 그라파이트 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 철이 첨가된 은 합금의 제조방법.
9. 청구항 1에 있어서,

   상기 단계 (3) 이후에, 대략 700 ℃ 10 내지 20 시간의 균질화처리를 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 니켈이 첨가된 은 합금의 제조방법.
10. 청구항 1에 있어서,

    상기 주조공정은 중력주조 및 진공주조공정 중 어느 하나의 공정인 것을 특징으로 하는 철이 첨가된 은 합금의 제조방법.
11. 철이 첨가된 은 합금의 제조방법에 있어서:

    은 또는 은 합금을 포함하는 기지 금속 용융물을 준비하는 단계;

    상기 기지 금속 용융물을 1050℃ 내지 1250℃로 유지한 상태에서 교반시키면 서 분말 형태의 철을 상기 기지 금속 용융물에 첨가하는 단계로서, 상기 교반은 세로로 설치된 실린더형 교반관을 600 내지 1000rpm의 속도로 회전시킴으로써 수행되는 것인, 교반 및 첨가단계;

    철이 첨가된 용융물을 주조하는 단계를 포함하고,

    상기 철은 1 내지 10중량%로 첨가되는 것을 특징으로 하는 철이 포함된 은 합금의 제조방법.
12. 청구항 11에 있어서,

    상기 첨가되는 철의 전체 량은 정해진 시간 동안 정해진 량을 연속적으로 또는 분할하여 첨가하여 달성되는 것을 특징으로 하는 철이 첨가된 은 합금의 제조방법.

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