KR20180057104A - 전기접점 소재 및 이의 제조방법 - Google Patents

전기접점 소재 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 도펀트의 성분 및 이의 함량을 조절하여 내구성 및 신뢰성이 향상된 전기접점 복합소재 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

Description

전기접점 소재 및 이의 제조방법{ELECTRICAL CONTACT MATERIAL AND PREPARATION METHOD THEREOF}
본 발명은 전기적 차단기, 개폐기, 릴레이 및 스위치 기구에 필요한 전기 접점 재료에서 도펀트(Dopant)로 첨가되는 성분과 이의 함량 조절을 통하여 내구성 및 신뢰성이 극대화된 전기접점 소재 및 이의 제조방법에 관한 발명이다.
일반적으로 전기접점 소재는 배선용 차단기, 개폐기, 스위치 등의 전기기구나 전기설비 등에서 사용되며, 회로의 개폐 또는 접촉을 기계적으로 작동하는 전기접촉 소자이다. 이러한 전기접점 재료는 전기회로를 기계적으로 접속하는 접점에 전기회로의 개폐시 발생되는 아크(arc)로 인한 고압, 고열의 환경 하에서 이상소모, 용착, 교락 등의 사고가 발생되는 것을 방지할 필요가 있다. 이에 따라, 상기 전기접점 재료는 접촉 저항이 적고, 녹는점 및 승화점이 높으며, 내마모성과 관련된 경도가 높고, 전기적 수명이 우수한 재료를 선택하여 사용하게 된다.
상기 전기접점의 소재로는 주로 은(Ag)을 사용하는데, 은(Ag)은 쉽게 산화되지 않고 전기전도도가 우수하기 때문에 고성능 전기접점의 주재료로서 사용된다. 그러나 은(Ag)만으로 구성된 전기접점은 용해온도가 낮아 전기접점의 개폐시 발생하는 약간의 아크(Arc)에 의한 열에 의해 용해되어 그 형태가 파손되거나 또는 특성이 저하될 수 있다. 상기 전기접점 소재는 도펀트(dopant)의 함량에 따라 내소모성, 접촉저항 안정화, 산화물 및 결정립 미세화, 경도 균일화 등 재질의 물성 특성을 향상시킬 수 있으므로, 이러한 특성을 개선하고자 도펀트(dopant)로서 금속산화물을 사용한다.
한편 도펀트(dopant)로 사용되는 금속산화물은 접점의 개폐시 아크(Arc)에 의한 순간적인 고열에 의해 분해되어 승화되고, 전기접점 표면의 온도를 하강시켜주는 역할도 한다. 기존에 가장 보편적으로 사용되는 도펀트(Dopant)는 산화카드뮴(CdO)이었으나, 카드뮴이 환경 및 인체에 유해한 물질로 지정된 후로 사용이 제한되고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 카드뮴(Cd) 대신 다른 산화물 합금을 이용하여 전기접점을 사용하기 위한 기술이 개발 중이나, 업계에서 원하는 기계적, 전기적 특성을 발휘하기에는 한계가 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 전기접점 소재에 사용되는 도펀트의 종류 및 함량 조절을 통해 내소모성, 접촉저항 안정화, 산화물 및 결정립 미세화, 경도 균일화 등의 물성이 동반 향상된 전기접점 복합소재 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 전체 중량을 기준으로 하여, 주석 산화물(SnO2) 0.12~20.0 중량%; 니켈(Ni) 0.1~25 중량%; 비스무트 산화물(Bi2O3) 0.3~2.0 중량% 및 상기 100 중량부를 만족시키는 잔량의 은(Ag)을 포함하는 전기접점 복합소재를 제공한다.
본 발명의 바람직한 일례에 따르면, 상기 복합소재는, 은(Ag) 75 내지 85 중량%, 주석산화물(SnO2) 10.5~11.5 중량%, 니켈(Ni) 8~9 중량%, 비스무트 산화물(Bi2O3) 0.3~0.7 중량%를 포함하는 조성일 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 일례에 따르면, 상기 복합소재는, 은(Ag) 65 내지 75 중량%, 주석산화물(SnO2) 14.5~15.5 중량%, 니켈(Ni) 13.5~14.5 중량%, 비스무트 산화물(Bi2O3) 0.8~1.2 중량%를 포함하는 조성일 수 있다.
본 발명에서, 상기 복합소재는 전기적 차단기, 개폐기, 릴레이 및 스위치 기구에 사용되는 롤 형태의 접점 재료 또는 테이프(Tape)재일 수 있다.
본 발명은 전술한 전기접점 복합소재의 제조방법을 제공한다.
보다 구체적으로, 상기 제조방법은 (i) 니켈(Ni) 분말, 주석산화물 분말, 비스무트산화물 분말, 및 은(Ag) 분말을 혼합한 후 가압 성형하는 단계; (ii) 상기 단계 (i)의 성형체를 소결하는 단계; (iii) 상기 단계 (ii)의 소결체를 압축 및 열처리하는 단계; (iv) 상기 단계 (iii)에서 열처리된 결과물을 압출하여 롤 또는 테이프(tape)형 전기접점 복합소재를 제조하는 단계; (v) 순은(Ag)과 상기 단계 (iv)의 전기접점 복합소재를 열간접합하여 다층 클래드(strip)를 제조하는 단계; 및 (vi) 상기 다층 클래드를 압연한 후 일정한 두께로 가공하는 단계를 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명에서는, 전기접점 소재에 포함되는 도펀트(Dopant) 종류 및 이의 함량을 조절하여 전기접점 소재를 제조함으로써, 산화물의 미세화와 균일한 분포로 위치에 따라 경도가 균일해지며, 낮은 주석(Sn) 함량으로 가공성이 우수하다.
또한 전체적인 도펀트(Dopant)의 함량 편차를 감소시킴으로써, 접촉저항을 낮추고 주석산화물(SnO2)의 조대화를 방지하고 열/전기적 특성이 향상된다.
아울러, 본 발명에 따른 전기접점 재료를 이용한 전기 접점 수명 시험 횟수가 전체적으로 비교예에 비해 평균 2.5만회 이상으로 향상되며, 경도 및 전기전도도 등 물리적 특성이 향상된다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
은(Ag)은 쉽게 산화가 되지 않고 전기전도도가 우수하기 때문에 고효율의 전기 접점의 주재료로서는 사용한다. 그러나, 순은(Ag)만으로 구성된 전기접점은 전기접점의 개폐시 발생되는 약간의 아크(Arc)에 의해서도 용해되어 그 형태가 파손되거나 특성이 저하될 수 있다.
전술한 특성을 개선하기 위해 가장 보편적으로 사용되는 도펀트(Dopant)는 CdO 이었으나, 환경 및 인체에 유해한 물질로 지정된 후에는 사용이 감소되고 있다. 이외에도 SnO2, Ni, ZnO, In2O3, Bi2O3, C, W 등의 도펀트 등이 사용되기도 하였다. 그러나 전술한 조성만으로 구성되는 경우, 산화물 함량의 증대시 접촉저항 증대 및 높은 산화물의 취성으로 인한 파괴와 같은 문제가 발생할 수 있다.
이에, 본 발명은 기존의 전기접점 복합소재에 사용되는 도펀트(Dopant)의 성분과 이의 함량을 조절하여 전기접점 소재의 물리적 특성을 유의적으로 향상시키는 것을 특징으로 한다.
즉, 본 발명에서는 은(Ag)을 전기접점 소재의 주요 원재료로 포함하고, 여기에 도펀트(Dopant)로서 SnO2, Ni, Bi2O3를 포함하되, 이들이 최적 조성비로 함유되어 제조된 전기접점 소재를 제공한다.
본 발명에서, 주석산화물(SnO2)은 상기 전기접점 소재의 전체 중량을 기준으로 하여 0.12 ~ 20 wt% 함량이 적정 범위로서, 산화물 형성과 내용착성, 내소모성, 접촉저항 안정화를 도모하는 역할을 한다. 그러나 전술한 함량 범위를 벗어날 경우 산화물의 응집으로 인해 전기전도도 저하 및 가공성 열화를 초래한다.
또한 니켈(Ni) 성분의 경우, 상기 전기접점 소재의 전체 중량을 기준으로 하여 0.1 내지 25 wt% 함량이 적정 범위로서, 결정립 및 산화물 미세화를 시킨다. 그러나 상기 범위를 벗어날 경우, 전기접점간의 접촉 저항을 증대 시키며, 가공성 열화를 촉진한다.
또한 비스무트 산화물(Bi2O3)의 경우, 고온에서 Arc 발생에 따른 열화를 최소화시킬 수 있으며, 주석산화물(SnO2)의 응집을 방지하여 불균일적인 Arc 발생을 제어한다.
본 발명에서는 전술한 각 도펀트(Dopant) 성분의 성질을 이용하여 2가지의 용량별 특성에 맞는 전기접점 복합소재를 개발할 수 있다. 또한 기존의 니켈(Ni) 함량보다 증대되어 가공성이 저하될 수 있는 부분은 Sn 함량을 낮춰서 보완할 수 있다.
본 발명에 따른 전기접점 복합소재는, 전체 중량을 기준으로 하여, 주석 산화물(SnO2) 0.12 ~ 20.0 중량%; 니켈(Ni) 0.1 ~ 25 중량%; 비스무트 산화물(Bi2O3) 0.3 ~ 2.0 중량% 및 상기 100 중량부를 만족시키는 잔량의 은(Ag)을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 전체 중량을 기준으로 하여, 주석 산화물(SnO2) 10.5~15.5 중량%; 니켈(Ni) 8~14.5 중량%; 비스무트 산화물(Bi2O3) 0.3~1.2 중량% 및 상기 100 중량부를 만족시키는 잔량의 은(Ag)을 포함하는 조성일 수 있다.
이때 은(Ag)의 함량은 65~90 중량%일 수 있으며, 그 외 불가피한 불순물이 일부 포함될 수 있다. 상기 불순물의 총합은 전체 전기접점 복합소재의 총 중량%를 기준으로 0.5 중량% 미만으로 조절하는 것이 바람직하다.
본 발명에서는 2가지 용량별 특성에 맞는 전기접점 복합소재를 제공할 수 있는데, 첫번째 실시형태는 은(Ag) 75 내지 85 중량%, 주석산화물(SnO2) 10.5~11.5 중량%, 니켈(Ni) 8~9 중량%, 비스무트 산화물(Bi2O3) 0.3~0.7 중량%를 포함하는 조성일 수 있다(하기 표 1 참조).
또한 두번째 실시형태는 은(Ag) 65 내지 75 중량%, 주석산화물(SnO2) 14.5~15.5 중량%, 니켈(Ni) 13.5~14.5 중량%, 비스무트 산화물(Bi2O3) 0.8~1.2 중량%를 포함하는 조성일 수 있다(하기 표 2 참조).
상기 전기접점 복합소재에서, 각 도펀트 성분은 은(Ag) 매트릭스 내에 균일하게 분산되는 형태로 포함될 수 있다. 이때 각 도펀트의 평균 입경(크기)는 특별히 제한되지 않으며, 당 분야에 알려진 통상적인 범위 내에서 적절히 조절될 수 있다.
본 발명의 전기접점 복합소재는 전기적 차단기, 개폐기, 릴레이 및 스위치 기구에 사용되는 롤 형태의 접점 재료 또는 Tape재일 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 전기접점 복합소재는 당 분야에 알려진 통상적인 방법에 따라 제조될 수 있으며, 일례로 분말야금 공법으로 제조될 수 있다.
상기 전기접점 복합소재를 제조하는 바람직한 일례를 들면, (i) 니켈(Ni) 분말, 주석산화물 분말, 비스무트산화물 분말, 및 은(Ag) 분말을 혼합한 후 가압 성형하는 단계; (ii) 상기 단계 (i)의 성형체를 소결하는 단계; (iii) 상기 단계 (ii)의 소결체를 압축 및 열처리하는 단계; (iv) 상기 단계 (iii)에서 열처리된 결과물을 압출하여 롤 또는 테이프(tape)형 전기접점 복합소재를 제조하는 단계; (v) 순은(Ag)과 상기 단계 (iv)의 전기접점 복합소재를 열간접합하여 다층 클래드(strip)를 제조하는 단계; 및 (vi) 상기 다층 클래드를 압연한 후 일정한 두께로 가공하는 단계를 포함하여 구성될 수 있다.
이하, 상기 제조방법을 각 단계별로 나누어 설명하면 하기와 같다.
1) 니켈(Ni) 분말, 주석산화물 분말, 비스무트산화물 분말, 및 은(Ag) 분말을 원하는 조성에 맞도록 칭량하여 준비한다.
이때, 4가지 성분의 분말 입도는 당 분야에 알려진 통상적인 범위 내에서 조절할 수 있으며, 일례로 각 입도 분포는 D10이 3~7㎛, D90이 10~25 ㎛ 수준인 분말을 준비한다.
2) 준비된 4종류의 분말을 아래 기준치에 맞춰 계량한 뒤, 지르코니아 볼을 투입하고 볼밀을 진행한다.
이때 볼밀을 이용한 혼합단계의 조건은 특별히 제한되지 않으며, 당 분야에 알려진 통상적인 범위 내에서 실시할 수 있다. 일례로, 각 분말을 칭량한 후 지르코니아 볼을 투입하여 40~60 rpm 범위로 1~5시간 동안 혼합한다.
3) 상기 혼합된 혼합분말을 금형에 넣고 가압하여 성형한 뒤, 고온에서 진공소결한다.
이때 가압 성형은 원소재인 혼합분말들을 금형에 넣어 압축하여 성형하는 공정을 말한다. 이러한 성형법은 당 분야에 알려진 통상적인 성형법을 제한 없이 적용할 수 있으며, 일례로 프레스, 핫프레스(Hot Press, HP), 냉간 등방압 가압법 (Cold Isostatic Pressing, CIP) 등이 있다.
이때, 가압 및 성형은 당 분야에 알려진 통상적인 방법 및 조건을 이용하여 실시할 수 있다. 이후 성형체를 소결하게 되는데, 일례로 750~900℃에서 4~7시간 동안 진공소결할 수 있으며, 바람직하게는 850℃에서 6시간 소결할 수 있다.
4) 압축과 열처리 공정을 통해 분말 소결체를 치밀화시킨 후, 압출을 통해 테이프(Tape)재로 소정 두께로 압출한다.
이후 고온 가압 성형된 전기접점 소재를 열처리를 통해 풀림처리를 하며, 압출 등의 가공을 통해 균일한 크기의 테이프(tape)재를 제조할 수 있다.
이때 열처리 조건은 당 분야에 알려진 통상적인 범위 내에서 적절히 실시할 수 있으며, 일례로 500~900℃의 온도로 가열된 상태에서 압출할 수 있다.
상기 열처리 후 압출 공정은 당 분야에 알려진 통상적인 압출공정을 실시할 수 있으며, 일례로 열간공정일 수 있다. 본 발명에서, 상기 열간가공의 온도 및 시간은 특별히 한정되지 않으며, 일례로 600 내지 1000℃ 범위의 온도, 1 내지 5시간 동안 10 내지 50MPa 압력 하에서 열간압출을 실시하여 제조될 수 있다.
5) 은(Ag)재와 열간 접합을 통해 2층의 클래드 층을 제조하고, 이후 압연을 통해 소정 두께까지 감소시킨다.
상기 단계에서 압연하는 방법은 당 업계에 공지된 통상적인 압연 공정을 제한 없이 사용할 수 있다. 이러한 압연을 통해, 경도 및 밀도를 확보하고, 소재의 두께를 목적하는 범위로 조절한다.
6) 프레스를 통해 팁(Tip) 접점 형태로 가공하고, 컴파운드 바렐을 1시간 진행하여 가공의 버(Burr)나 이물질 등을 제거하였으며 표면 조도를 향상시킨다.
이후 당 업계에 알려진 가공성형 공정, 예컨대 헤딩, 바렐, 및 검사 공정을 통해 전기접점 재료의 제조가 완료된다. 일례로, 바렐 공정은 전기접점 복합소재로 가공한 후 연마석 가루와 계면활성제를 이용하여 표면을 바렐하여 버(burr)와 이물질을 제거하는 것일 수 있다.
전술한 방법에 의해 제조된 본 발명의 전기접점 복합소재는 카드뮴(Cd)을 함유하지 않기 때문에 인체나 환경에 무해하다. 또한 본 발명에서는 전기접점의 내마모성과 열적, 전기적 특성의 개선을 통해 수명 증대를 목적으로 특정 산화물을 첨가하는데, 이를 통해 실제로 전기접점 소재의 내소모성, 접촉저항 안정화, 산화물 및 결정립 미세화, 경도 균일화 등 물성 특성을 향상시킬 수 있다.
특히, 본 발명에서는 사용되는 도펀트의 종류와 함량을 조절함으로써, 산화물의 미세화 및 균일한 분로로 인해 경도가 균일하고 가공성이 우수하며 전기적, 기계적 특성을 증대시켜 수명 시험 횟수를 유의적으로 증가시킬 수 있다(표 4 참조).
본 발명의 전기접점 복합소재는 전기차단기, 개폐기, 릴레이, 스위치 등의 접점 재료로 사용될 수 있으며, 그 중에서도 개폐기에 유용하게 사용될 수 있다. 그 외 전기 접점 소재가 유용하게 적용될 수 있는 다른 기술분야에도 제한 없이 적용될 수 있다. 또한 상기 전기접점 복합소재의 형태는 당 분야에 알려진 통상적인 형태로 다양하게 적용될 수 있다. 일례로, 전술한 용도에 필요한 롤 형태의 접점 재료이거나 또는 테이프(Tape)재일 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예를 통해 구체적으로 설명하나, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명의 한 형태를 예시하는 것에 불과할 뿐이며, 본 발명의 범위가 하기 실시예 및 실험예에 의해 제한되는 것은 아니다.
[실시예 1]
하기와 같은 제조공정을 실시하여 실시예 1의 전기접점 소재를 제조하였다.
1) 4가지 분말 종류를 각 입도분포 D10이 5㎛, D90이 20㎛ 수준인 분말을 준비하였다. 이때 4가지 분말의 종류 및 이의 조성은 하기 표 1과 같다.
1) 분말을 아래 기준치에 맞춰 계량한 뒤, 지르코니아 볼을 넣고 볼밀을 진행하였다. 50rpm으로 50L 볼밀통에 15kg의 분말을 3시간 혼합하였다.
3) 상기 분말을 직경 130mm 금형에 넣고 가압하여 성형한 후, 850도에 6시간 진공 소결하였다. 소결 후 수축은 직경 105mm 정도로 진행되었다.
4) 압축과 열처리 공정을 통해 분말을 소결체를 치밀화 시킨 후 압출을 통해 Tape재로 3mm 두께로 압출하였다.
5) 은(Ag) 0.3mm와 열간 접합을 통해 2층의 클래드 층을 제조하였고, 이후 압연을 통해 1.0mm까지 두께를 줄였다.
6) 프레스(Press)를 통해 Tip 접점 형태로 가공하였으며, 컴파운드 바렐을 1시간 진행하여 가공의 Burr 등을 제거하고, 이후 표면 조도를 향상시켰다.
구분(wt%) Ag SnO2 Ni Bi2O3 계
기준치 80 10.5~11.5 8~9 0.3~0.7 100.00
배재치 80 11 8.5 0.5 100.00
[실시예 2]
하기 표 2와 같은 4가지 분말 조성을 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법을 수행하여 실시예 2의 전기접점 재료를 제조하였다.
구분(wt%) Ag SnO2 Ni Bi2O3 계
기준치 70 14.5~15.5 13.5~14.5 0.8~1.2 100.00
배재치 70 15 14 1 100.00
[비교예 1]
하기 표 3과 같은 4가지 분말 조성을 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법을 수행하여 비교예 1의 전기접점 재료를 제조하였다. 이때 비교예 1은 유럽 선진사의 시제품에 해당된다.
구분 (wt%) Ag SnO2 Bi2O3 계
기준치 80 13.5~14.5 0.3~0.7 100.00
배재치 80 14 0.5 100.00
[실험예 1. 전기접점 소재의 물성 평가]
본 발명에서 제조된 전기접점 소재를 이용하여 내구성 평가를 하기와 같이 실시하였다.
보다 구체적으로, 실시예 1~2 및 비교예 1에서 제조된 전기접점 소재를 이용하여 이들의 전기전도도, 경도, 접촉저항 및 전기적 수명을 각각 측정하였다.
실험 결과, 본 발명에 따라 특정 성분의 도펀트 및 이의 함량이 조절된 전기접점 소재는 경도가 우수하고 전기적 수명이 우수하다는 것을 확인할 수 있었다(표 4 참조).
구분(wt%) 전기전도도
(%IACS)		 경도
(Hv)		 접촉저항
(옴/m2)		 전기적 수명
(만 회)
실시예1 67 98 미측정 13.5
실시예2 62 108 미측정 14.1
비교예 70 95 미측정 10

Claims (8)

  1. 전체 중량을 기준으로 하여, 주석 산화물(SnO2) 0.12~20.0 중량%; 니켈(Ni) 0.1~25 중량%; 비스무트 산화물(Bi2O3) 0.3~2.0 중량% 및 상기 100 중량부를 만족시키는 잔량의 은(Ag)을 포함하는 전기접점 복합소재.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복합소재는, 은(Ag) 75 내지 85 중량%, 주석산화물(SnO2) 10.5~11.5 중량%, 니켈(Ni) 8~9 중량%, 비스무트 산화물(Bi2O3) 0.3~0.7 중량%를 포함하는 조성인 것을 특징으로 하는 전기접점 복합소재.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복합소재는, 은(Ag) 65 내지 75 중량%, 주석산화물(SnO2) 14.5~15.5 중량%, 니켈(Ni) 13.5~14.5 중량%, 비스무트 산화물(Bi2O3) 0.8~1.2 중량%를 포함하는 조성인 것을 특징으로 하는 전기접점 복합소재.
  4. 제1항에 있어서,
    전기적 차단기, 개폐기, 릴레이 및 스위치 기구에 사용되는 롤 형태의 접점 재료 또는 Tape재인 것을 특징으로 하는 전기접점 복합소재.
  5. (i) 니켈(Ni) 분말, 주석산화물 분말, 비스무트산화물 분말, 및 은(Ag) 분말을 혼합한 후 가압 성형하는 단계;
    (ii) 상기 단계 (i)의 성형체를 소결하는 단계;
    (iii) 상기 단계 (ii)의 소결체를 압축 및 열처리하는 단계;
    (iv) 상기 단계 (iii)에서 열처리된 결과물을 압출하여 롤 또는 테이프(tape)형 전기접점 복합소재를 제조하는 단계;
    (v) 순은(Ag)과 상기 단계 (iv)의 전기접점 복합소재를 열간접합하여 다층 클래드(strip)를 제조하는 단계; 및
    (vi) 상기 다층 클래드를 압연한 후 일정한 두께로 가공하는 단계
    를 포함하는 제1항에 기재된 전기접점 복합소재의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 단계 (i)는 각 분말을 칭량한 후 지르코니아 볼을 투입하여 40~60 rpm 범위로 1~5시간 동안 혼합하고, 혼합된 분말을 가압성형하는 것을 특징으로 하는 전기접점 복합소재의 제조방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 단계 (ii)는 750~900℃에서 4~7시간 동안 진공소결하는 것을 특징으로 하는 전기접점 복합소재의 제조방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 단계 (vi)는 압연된 다층 클래드를 프레스하여 팁(tip) 접점형태로 가공한 후, 바렐공정을 실시하는 것을 특징으로 하는 전기접점 복합소재의 제조방법.
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