KR20190070735A - 용사법을 이용한 전기 접점재료의 제조방법 및 이로부터 제조된 전기 접점재료 - Google Patents

용사법을 이용한 전기 접점재료의 제조방법 및 이로부터 제조된 전기 접점재료 Download PDF

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Abstract

본 발명은 용사법을 이용한 전기 접점재료의 제조방법 및 이로부터 제조된 전기 접점재료에 관한 것으로, 상기 제조방법은 (a) 모재와 브레이징 재료를 준비하는 단계; 및 (b) 플라즈마 용사, 아크 용사, 고속화염(HVOF) 용사 및 레이저 용사 중 적어도 하나의 용사(Thermal spray)법을 적용하여, 모재의 일면 또는 양면에 브레이징층을 형성하는 단계를 포함한다.

Description

용사법을 이용한 전기 접점재료의 제조방법 및 이로부터 제조된 전기 접점재료{MANUFACTURING METHOD FOR ELECTRIC CONTACT MATERIAL HAVING BRAZING LAYER BY THERMAL SPRAY AND ELECTRIC CONTACT MATERIAL INTEGRATED WITH BRAZING LAYER PREPARED THEREBY}
본 발명은 용사법(Thermal spray)을 이용하여 조성 및 두께가 균일하게 제어된 브레이징층이 구비된 전기 접점재료의 제조방법 및 상기 방법에 의해 얻어진 전기 접점재료에 관한 것이다.
전기 접점재료는 각종 스위치, 릴레이, 전자개폐기, 및 차단기 등의 전기기기에 있어서, 전기회로의 개폐 및 접촉을 기계적으로 행하는 핵심부품 중 하나이다. 이러한 전기 접점재료는 기본적으로 전기적, 열적, 기계적, 화학적 성질을 충족시켜야 하고, 낮은 접촉저항, 높은 전기전도도 및 높은 내아크성과 내마모성 등이 요구된다.
상기 접점재료는 일반적으로 실제 접촉부위로 노출되는 부분(접점)만을 해당 재료(예, 브레이징재)로 하고, 그 위에 모재 금속과 접합하여 사용된다. 상용화된 전기 접점재료는 주로 압연접합 또는 용융접합 등의 방법을 이용하여 모재와 접합하여 사용된다. 그러나 전술한 압연접합이나 용융접합을 이용하여 접합할 경우, 후가공이 필수로 요구될 뿐만 아니라 모재와의 접합시 불균일한 접합면의 형성이 초래되므로, 접점특성의 저하에 주원인이 되고 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 종래 압연접합 또는 용융접합 대신 용사법(Thermal Spray)을 적용함으로써, 공정이 간단하고, 접점 재료와 모재의 접합이 용이하며, 균일한 접합 계면을 확보할 수 있는 브레이징층이 구비된 전기 접점재료의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 전술한 방법에 의해 제조된 전기 접점재료를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 모재의 일면 또는 양면에 브레이징층이 구비된 브레이징 일체형(一體形) 전기 접점재료의 제조방법으로서, (a) 모재와 브레이징재를 준비하는 단계; 및 (b) 플라즈마 용사, 아크 용사, 고속화염(HVOF) 용사 및 레이저 용사 중 적어도 하나의 용사(Thermal spray)법을 적용하여, 모재의 일면 또는 양면에 브레이징층을 형성하는 단계를 포함하는, 전기 접점재료의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 브레이징재는 은(Ag), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 아연(Zn), 인(P), 주석(Sn), 망간(Mn), 니켈(Ni) 및 철(Fe)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 금속 또는 합금일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 브레이징재는 은(Ag) 1.0 ~ 80.0 중량% 및 구리(Cu) 10.0 ~ 60.0 중량%를 포함하고, 알루미늄(Al), 아연(Zn), 인(P), 주석(Sn), 망간(Mn), 니켈(Ni) 및 철(Fe)로부터 선택된 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 브레이징재는 분말 또는 와이어(wire) 형태일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 분말형 브레이징재는 평균 직경(D50)이 5 내지 50㎛의 구형이며, 와이어형 브레이징재는 폭이 1 내지 5mm 일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 브레이징층의 두께는 20 내지 200 ㎛일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 브레이징층을 형성하기 전에, 모재의 표면에 조도를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 용사법이 플라즈마 용사일 경우, 상기 제조방법은 (i) 반응 챔버 내에 모재를 장입하고, 분말 피더(feeder)에 브레이징재를 투입한 후, 분위기 가스를 공급하여 준비하는 단계; 및 (ii) 상기 반응 챔버에 플라즈마를 생성하여 모재의 표면에 브레이징층을 형성하는 단계를 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 플라즈마 용사의 단계 (ii)에서, 분위기 가스는 50~150 SCFH의 불활성 가스; 및 20~60 SCFH의 수소 가스가 혼합된 가스이며; 플라즈마 발생 전류는 300~500A이며, 인가 전압은 30~65 V이며, 모재와 브레이징 재료 간의 거리가 50~250mm일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 용사법이 아크 용사일 경우, 상기 제조방법은 (i) 반응 챔버 내에 모재와 브레이징재를 장입한 후, 분위기 가스를 공급하여 준비하는 단계; 및 (ii) 상기 반응 챔버에 아크 방전을 이용하여 모재의 표면에 브레이징층을 형성하는 단계를 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 아크 용사의 단계 (ii)에서 아크 방전 용사시 온도가 2000 내지 4000℃이며, 아크 방전의 용사 속도가 50 내지 60 m/s이고, 전류가 50 ~ 500A이며, 모재와 브레이징 재료 간의 거리가 50 ~ 200mm 일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 용사법이 고속 화염(HVOF) 용사일 경우, 상기 제조방법은 (i) 반응 챔버 내에 모재를 장입하고, 분말 피더에 브레이징재를 투입한 후, 분위기 가스와 캐리어 가스를 공급하여 준비하는 단계; 및 (ii) 상기 챔버 내에 고속 화염을 발생시켜 모재의 표면에 브레이징층을 형성하는 단계를 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 고속 화염(HVOF) 용사의 단계 (ii)에서 분위기 가스는 2.5~3.5 SCFH의 연료가스; 및 600~1,200 psi의 산소 가스가 혼합된 가스이며; 캐리어 가스는 25~40 SCFH의 불활성가스이고, 연소시 압력이 50~80 psi이고, 모재의 회전속도가 2.5 ~ 5.0 rpm일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 용사법이 레이저 용사일 경우, 상기 제조방법은 브레이징재를 레이저 조사에 의해 용융 및 응고시켜, 모재의 표면에 브레이징층을 형성하는 단계를 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 레이저 용사의 단계 (ii)에서 레이저의 파워는 900 ~ 1500W이며, 상기 레이저의 파장 영역은 적외선, 가시광선 및 자외선 중 어느 하나이며, 레이저 스캐닝 속도는 5 ~ 15 mm/s일 수 있다.
또한, 본 발명은 전술한 방법에 의해 제조된 전기 접점재료를 제공한다.
상기 전기 접점재료는 스위치, 릴레이, 전자개폐기 및 차단기 중 어느 하나의 접점으로 사용 가능하다.
본 발명은 종래 압연접합 또는 용융접합 대신 용사법(Thermal spray)을 적용함으로써, 모재의 표면에 형성되는 브레이징층이 균일한 조성과 두께를 갖도록 쉽게 조절할 수 있으며, 이에 따라 모재와 브레이징층, 및/또는 상대재와 브레이징층 간의 접합 불량을 최소화시킬 수 있다.
또한 본 발명에서는 종래 압연접합 또는 용융접합 적용시, 모재와 불균일한 접합계면 형성으로 초래되는 접점특성 저하를 개선할 수 있으며, 추가적인 후가공 (예, 버핑 공정)이 불요(不要)하다.
아울러 본 발명에서는 전기 접점재료의 제조시간 및 작업인원이 감소되어 전기 접점재료의 제조효율을 향상시킬 수 있다.
나아가, 본 발명에서는 모재의 크기나 형태에 제한 없이 전기 접점재료를 제조할 수 있기 때문에, 다양한 크기 및 형태를 가지는 전기 접점재료를 제공할 수 있다. 이러한 전기 접점재료는 각종 스위치, 릴레이, 전자개폐기, 차단기 등에 유용하게 적용될 수 있다.
도 1은 실시예 1에서 제조된 전기 접점재료의 단면 SEM 사진이다.
도 2은 실시예 1에서 제조된 전기 접점재료의 표면 SEM 사진이다.
도 3은 실시예 1의 전기 접점재료에 구비된 브레이징층의 X선 회절 분석(XRD) 그래프이다.
도 4은 실시예 7에서 제조된 전기 접점재료의 단면 SEM 사진이다.
도 5은 실시예 7에서 제조된 전기 접점재료의 표면 SEM 사진이다.
도 6은 실시예 7의 전기 접점재료에 구비된 브레이징층의 X선 회절 분석(XRD) 그래프이다.
도 7은 비교예 1에서 용융접합에 의해 접합된 전기 접점재료의 단면 SEM 사진이다.
도 8은 비교예 1에서 용융접합에 의해 접합된 전기 접점재료의 표면 SEM 사진이다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명은 각종 스위치, 릴레이, 전자개폐기, 차단기 등의 전기기기에서 전기회로의 개폐를 제어하는데 사용되는 통전용 접촉재료(예, 전기 접점재료)로서, 낮은 접촉저항, 높은 전기전도도, 높은 내아크성 및 내마모성 등의 특성을 유지하고, 기존 공법보다 균일한 접합층이 확보된 전기 접점재료를 제공하는 것을 목적으로 한다.
한편 전기 접점재료는 모재에 브레이징재(예, 용접재)를 접합하는 과정을 거쳐 제조되는데, 종래에는 전기접점과 모재의 접합을 위해 압연접합 또는 용융접합 등의 공법이 많이 사용되었다. 이중 압연접합은 설비투자 비용이 높다는 단점을 가지고 있으며, 용융접합은 균일한 접합계면을 형성하지 못하여 좋은 접합강도를 확보하지 못한다는 단점이 있다. 또한 전술한 2가지 공법들을 이용할 경우, 형성된 브레이징층의 계면이 균일하지 못하므로, 이후 브레이징층의 표면을 매끈하게 하는 연삭 등의 버핑(buffing) 공정이 필수로 수반된다. 이에 따라, 후처리 공정 추가에 따른 제조비용 증가 및 생산성 저하가 초래된다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해서, 표면처리 분야 등에 채용되는 용사법(Thermal spray), 예컨대 플라즈마 용사, 아크 용사, HVOF 용사, 레이저 용사법 중 적어도 하나를 적용하여 브레이징층이 구비된 전기 접점재료를 제조한다.
본 발명에서 채용하는 용사법은, 분말이나 선(wire)재를 이용하여 브레이징층을 형성하되, 기존 공법에 비해 브레이징층의 두께 제어(예, 20 ~ 200㎛)가 용이하며, 브레이징층의 내부 균열이 없고, 브레이징층과 모재 사이의 박리가 존재하지 않는 특성을 확보할 수 있다. 이에 따라, 브레이징재와 모재 간의 균일한 접합 계면을 확보하여 이들 간의 접합이 용이하고 우수한 접합성을 가질 수 있다. 또한 모재 표면 상에 형성되는 브레이징층의 표면 특성이나 조성을 균일하게 제어할 수 있다. 아울러 공정이 간단할 뿐만 아니라 별도의 후처리 공정 자체가 불요하므로, 제품의 공정단가를 낮출 수 있는 효과가 있다
따라서, 본 발명에서는 모재(substrate)의 종류나 형태에 상관 없이, 접합 불량이 최소화된 전기 접점재료를 제공할 수 있으며, 상기 전기 접점재료의 제조효율도 향상시킬 수 있다.
<브레이징 일체형 전기 접점재료의 제조방법>
본 발명에 따른 전기 접점재료는 당 분야에 공지된 용사법(Thermal Spray)을 이용하여 하기와 같이 제조될 수 있다.
상기 제조방법의 일 실시형태를 들면, (a) 모재와 브레이징재를 준비하는 단계('S10 단계'); 및 (b) 플라즈마 용사, 아크 용사, 고속화염(HVOF) 용사 및 레이저 용사 중 적어도 하나의 용사(Thermal spray)법을 적용하여, 모재의 일면 또는 양면에 브레이징층을 형성하는 단계('S20 단계')를 포함하여 구성될 수 있다.
이하, 상기 제조방법을 각 공정 단계별로 나누어 설명하면 다음과 같다.
1) 모재와 브레이징재 준비 단계('S10 단계')
상기 S10 단계에서는 모재(basic material)와 브레이징재(brazing material)를 각각 준비한다.
모재를 이루는 물질은 특별히 한정되지 않으며, 당 분야에 공지된 금속 또는 합금(alloy)일 수 있다. 일례로, 상기 모재는 은(Ag), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 금(Au), 카본(C), Ni(니켈), Cd(카드뮴), Sn(주석) 등을 포함하는 금속 또는 이들의 합금일 수 있다. 또한 모재의 형태나 두께도 특별히 한정되지 않으며, 당 분야에 공지된 형태나 두께를 가진 모재를 제한 없이 사용할 수 있다. 일례로 판형 또는 롤형 등을 들 수 있다.
상기 모재는 표면에 존재하는 불순물을 제거하기 위해 당 업계에 공지된 방법으로 세척하는 것이 바람직하다. 또한, 브레이징재와의 접합 강도를 높이기 위해 모재의 표면(구체적으로, 브레이징재가 도포되는 면)에 조도(거칠기)를 형성시키는 과정을 거치는 것이 바람직하다. 이때, 조도를 형성시키는 방법은 특별히 한정되지 않으며, 샌드 블라스트(sand blast) 등을 들 수 있다.
상기 모재의 표면 상에 브레이징층을 형성하는 브레이징재는, 당 분야에 공지된 브레이징재, 예컨대 용가재를 제한 없이 사용할 수 있다.
일례로, 상기 브레이징재는 은(Ag), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 아연(Zn), 인(P), 주석(Sn), 망간(Mn), 니켈(Ni) 및 철(Fe)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 금속 또는 합금(alloy)일 수 있다. 구체적으로, 은(Ag) 1.0 ~ 80.0 중량% 및 구리(Cu) 10.0 ~ 60.0 중량%를 포함하고, 알루미늄(Al), 아연(Zn), 인(P), 주석(Sn), 망간(Mn), 니켈(Ni) 및 철(Fe)로부터 선택된 적어도 하나를 더 포함하는 브레이징재일 수 있다. 일례로, 은(Ag)계, Cu계 (예컨대 BCuP5) 등이거나, 또는 은(Ag), 인(P) 및 구리(Cu)가 14.5~15.5 : 4.8~5.3 : 79.2~80.7 중량비로 구성되는 용가재일 수 있다.
상기 브레이징재의 형태나 크기는 특별히 제한되지 않으며, 일례로 분말 또는 와이어(wire) 형태일 수 있다. 구체적인 일례를 들면, 상기 분말형 브레이징재의 평균 직경(D50)은 5 내지 50㎛의 구형일 수 있으며, 와이어형 브레이징재는 폭이 1 내지 5mm일 수 있고, 길이는 당 분야의 공지된 범위 내에서 적절히 조절할 수 있다.
2) 용사 공정('S20 단계')
상기 S20 단계에서는, 용사법(Thermal Spray)을 적용하여 모재의 표면 상에 브레이징층을 형성한다.
종래에는 탄소 지그(carbon jig)에 고정된 모재를 질소 분위기의 열처리 로에 통과시키거나 또는 열처리를 실시하여, 용융된 브레이징재를 모재에 도포하는 방법으로 전기 접점재료를 제조하였다. 그러나 이러한 방법은 용융된 브레이징재의 젖음성 부족으로 인해 브레이징재의 도포량이 일정기준 이하일 경우 모재와 브레이징재, 및/또는 상대재와 브레이징재 간의 접합 불량이 초래되었다. 또한 열처리 로의 컨베이어 벨트(conveyor belt) 속도로 인해 제조시간(L/T)이 길고 양산 용량(capacity)에도 한계가 있어 결과적으로 제조효율이 떨어지는 문제점도 있었다.
이에 비해, 본 발명에서는 용사법(Thermal spray)을 통해 브레이징재를 미세한 입자 상태로 모재에 도포하기 때문에, 브레이징재가 모재에 균일하게 도포되어 브레이징재의 도포 불량(브레이징재 도포율 100 %)을 방지할 수 있으며, 종래 방법에 비해 전기 접점재료의 제조시간이 짧고(구체적으로, 제조시간이 3.5 hr/4 roll -> 1.7 hr/4 roll로 감소) 양산 용량도 높아 제조효율을 향상시킬 수 있다. 또한 고온의 열원이나 에너지원(예, 플라즈마, 아크, HVOF, 레이저 등)을 이용함에 따라 분사되는 브레이징재의 입자 크기를 제어할 수 있어, 브레이징재로 이루어진 층의 밀도 및 균일도를 높일 수 있다. 아울러, 형성되는 브레이징층의 두께와 표면 특성을 용이하게 제어할 수 있을 뿐만 아니라, 모재(substrate)의 종류나 형태에 제한 없이 균일한 브레이징층의 형성이 가능하다.
본 명세서에서 있어서, "용사법(thermal spray)"은 분사층(예, 브레이징층), 일례로 브레이징층을 형성하는 분말 또는 와이어 형태의 브레이징재로부터 유래된 입자 스트림이 고에너지로 표적(예컨대, 모재 금속)에 겨냥되고, 이에 의해 입자와 표적 재료 간의 접착이 이루어지는 코팅방법을 의미한다. 이러한 고에너지는 특별히 제한되지 않으며, 당 분야에 공지된 고에너지 열원 또는 에너지원을 사용할 수 있다. 일례로, 상기 용사법은 플라즈마(plasma), 아크(arc), 초고속 산소연료 용사(high velocity oxygen fuel, HVOF), 및 레이저(laser) 중 적어도 하나를 사용하는 용사법일 수 있다. 그러나 이에 제한되지 않으며, 전술한 공법으로 이루어지는 당 분야의 공지된 용사법, 예컨대 화염용사(flame spraying: FS), 폭발 용사(detonation gun spraying: DS), 대기 플라즈마 용사(atmosphere plasma spraying) 등을 적용하여 브레이징층을 형성하는 것도 본 발명의 범주에 속한다.
한편 상기 S20 단계는, 본 발명에서 채용되는 용사법의 종류에 따라 4가지의 실시형태를 가질 수 있다. 이때 사용되는 용사(thermal spray) 장비는 당 분야에 공지된 장비를 제한 없이 사용할 수 있으며, 일례로, 반응 챔버, 분말 피더(feeder), 및 스프레이 건(spray gun)을 포함하는 용사 장비일 수 있다. 분말 피더는 브레이징재 분말을 투입하고, 스프레이 건에서는 화염과 같은 고온 열원을 발생시켜서 분말을 분사하여 모재 상에 브레이징재의 코팅이 이루어진다. 본 발명에서, 용사 장비는 전술한 구성에 한정되지 않으며, 적절히 변형 가능하다. 일례로 레이저 용사법은 반응 챔버 없이 실시될 수 있다.
제1실시형태는 플라즈마 용사법을 이용하여 모재 표면 상에 브레이징층을 형성하는 것이다.
플라즈마 용사법(plasma spray)은, 다른 극성의 전극 사이로 가스를 흘려보내 가스를 이온화시키고(플라즈마 상태), 이온화된 가스가 환원하여 방출되는 고열에 의해 코팅 분말(예, 브레이징재)을 녹여 분사하는 것이다. 즉, 플라즈마 건(plasma gun) 내의 음극과 양극 사이에서 전리된 플라즈마 가스가 방출되어 고에너지를 형성하는데, 이러한 고온의 불꽃에 분말을 공급하면 분말은 짧은 시간에 용융되어 기판(예, 모재)에 충돌하면서 균일하고 미세한 결정립을 가진 코팅층(예, 브레이징층)을 형성한다. 이와 같이 플라즈마 용사법은 용융된 분말(예, 브레이징재)을 코팅하므로 코팅(증착) 속도가 매우 빠를 뿐만 아니라, 형성된 코팅층(예, 브레이징층)은 분말의 조성을 거의 그대로 유지하기 때문에, 코팅층 조성의 조절이 쉽고 기존 금속이나 유기화합물 이외에 세라믹 재료 등 다양한 복합재료 등도 쉽게 증착시킬 수 있다.
상기 플라즈마 용사법을 이용한 제1실시형태의 일례를 들면, (i) 반응 챔버 내에 모재를 장입하고, 분말 피더(feeder)에 브레이징재를 투입한 후, 분위기 가스를 공급하여 준비하는 단계; 및 (ii) 상기 반응 챔버에 플라즈마를 생성하여 모재의 표면에 브레이징층을 형성하는 단계를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 단계 (ii)를 구체적으로 설명하면, 모재를 플라즈마 용사 장비의 반응 챔버에 장착한다. 또한 브레이징재 분말은 분말 피더에 투입하고, 반응 챔버를 닫고 펌프를 이용하여 진공을 뽑는다. 소정의 진공도에 도달하면 불활성 가스를 이용하여 작업 진공도를 1.0×10-1 내지 3.5×10-1 bar, 예컨대 대략 2.5×10-1 bar로 유지할 수 있다. 전술한 진동도를 벗어날 경우 전극이 손상되거나 챔버 외부의 공기가 유입되어 산화될 가능성이 높아질 수 있다.
작업 진공도가 유지되면 플라즈마 가스(Plasma Gas)를 투입하고 용사를 진행한다. 이때 사용되는 플라즈마 가스(Plasma Gas)는 당 업계에 알려진 통상적인 조성의 가스를 사용할 수 있으며, 일례로 아르곤, 질소, 아르곤 + 질소, 아르곤 + 수소, 질소+수소를 이용할 수 있다. 플라즈마를 생성한 후 브레이징재 분말을 투입하는데, 이때 분말 투입 속도는 10 내지 40 gr/min 범위일 수 있다. 상기 분말 투입 속도를 벗어날 경우 작업이 장시간 소요되거나, 또는 모재에 브레이징재가 증착되지 못하고 챔버 바닥에 떨어져 수율이 저하될 수 있다. 또한 증착 시간은 당 분야의 공지된 범위 내에서 적절히 조절할 수 있으며, 증착 완료 후 충분히 냉각하고 이후 챔버를 개방하여 모재를 취출한다.
본 발명의 바람직한 일 구현예를 들면, 플라즈마 용사법을 이용하는 상기 단계 (ii)에서 분위기 가스는 50~150 SCFH의 불활성 가스; 및 20~60 SCFH의 수소 가스가 혼합된 가스일 수 있으며; 플라즈마 발생 전류는 300~500A일 수 있다. 또한 인가 전압은 30~65 V이고, 모재와 브레이징 재료 간의 용사 거리는 50~250mm일 수 있다. 상기 용사거리가 50 mm 미만일 경우 상기 모재가 Spray gun에서 발생된 열원에 의하여 손상되어 크랙이 발생될 수 있으며, 250 mm을 초과할 경우에는 용융된 분말이 재응고되어 코팅층의 제조 수율이 떨어지게 된다. 이때, 용사 코팅 시간은 특별히 제한되지 않으며, 당 분야의 공지된 범위 내에서 적절히 조절할 수 있다.
또한, 제2실시형태는 아크 용사법을 이용하여 모재 표면 상에 브레이징층을 형성하는 것이다.
아크 용사법(arc discharge plasma)은, 금속계 선재(wire)를 소재로 사용하는 용사법이다. 일반적으로 두 개의 선재를 전극(+, -)으로 하고, 전극의 말단부를 접촉하여 아크(arc)를 발생시키고, 이를 통해 선재를 용융시킴과 동시에 압축공기 제트로 분사 및 비행시켜 모재 표면에 용사 코팅층을 형성하는 방법이다.
이러한 아크 용사법은, 공정 단가가 저렴하여 금속계 코팅층을 두껍게 제조하여도 금형 제조공정의 전체 단가가 크게 상승되지 않으며, 코팅층의 제조 시간이 수 시간에 불과하므로 생산성이 높다. 또한 모재 표면의 특성에 영향을 받지도, 모재에 열적인 영향을 주지도 않으므로, 사용 소재에는 특별한 제약을 두지 않는다. 아울러 아크 용사법을 사용한 코팅 공정에서, 아크 전압, 전류량, 선재 및 가스 공급량 등의 공정 조건은 사용하는 선재의 종류, 코팅층의 두께 및 표면 특성을 고려하여, 적절히 조절하는 것이 바람직하다.
상기 아크 용사법을 이용한 제2실시형태의 일례를 들면, (i) 반응 챔버 내에 모재와 브레이징재를 장입한 후 분위기 가스를 공급하여 준비하는 단계; 및 (ii) 상기 반응 챔버에 아크 방전을 이용하여 모재의 표면에 브레이징층을 형성하는 단계를 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 구현예를 들면, 아크 용사법을 이용하는 상기 단계 (ii)에서 아크 방전 용사시 온도가 2000 내지 4000℃일 수 있으며, 아크 방전의 용사 속도는 50 내지 60 m/s일 수 있다. 또한 전류가 50 ~ 500A이며, 모재와 브레이징 재료 간의 용사 거리는 50 ~ 200 mm 일 수 있다. 상기 브레이징재를 아크 방전 용사하는 전류 세기와 공기(air) 압력도 특별히 한정되지 않으나, 전류 세기가 9 내지 20 kw이고, 공기(air) 압력은 3 내지 7 kg/㎠인 것이 바람직하다.
제3실시형태는 고속 화염(HVOF) 용사법을 이용하여 모재 표면 상에 브레이징층을 형성하는 것이다.
고속 화염 용사법(High Velocity Oxygen Fuel Spray, HVOF)은, 연료가스(예컨대, 프로판, 메틸아세틸렌, 헵탄, 수소)를 산소와 함께 고압에서 연소시켜 고속의 제트를 발생시키는 것이다. 분말은 캐리어 가스로 제트에 주입되고, 작동가스(예, 연료가스, 산소)는 연소실에서 연소되어 노즐을 통하여 토치 밖으로 분사된다. 이러한 고속화염 용사법은 우수한 접합강도 및 높은 경도를 지니는 코팅막 작업이 가능하여 내구성 및 내마모 특성이 향상된다.
상기 HVOF 용사법을 이용한 제3실시형태의 일례를 들면, (i) 반응 챔버 내에 모재를 장입하고, 분말 피더에 브레이징재를 투입한 후, 분위기 가스와 캐리어 가스를 공급하여 준비하는 단계; 및 (ii) 상기 챔버 내에 고속 화염을 발생시켜 모재의 표면에 브레이징층을 형성하는 단계를 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 구현예를 들면, HVOF 용사법을 이용하는 상기 단계 (ii)에서 분위기 가스는 2.5~3.5 SCFH의 연료가스; 및 600~1,200 psi의 산소 가스가 혼합된 가스일 수 있으며; 캐리어 가스는 25~40 SCFH의 불활성 가스이고, 연소시 압력은 50~80 psi일 수 있으며, 모재의 회전속도는 2.5 ~ 5.0 rpm 일 수 있다.
제4실시형태는 레이저 용사법을 이용하여 모재 표면 상에 브레이징층을 형성하는 것이다.
레이저 용사법(LASER spray)은, 코팅분말을 레이저 용사 장비에 공급하고 레이저로 코팅 분말을 용융 및 냉각시켜 모재 상에 용사 코팅층을 형성하는 것이다. 이러한 용사법은 모재에 레이저를 조사하여 표면을 융용시킨 후 브레이징재를 분사시켜서 코팅층을 형성시킬 수 있으며, 또는 브레이징재를 레이저 빔에 직접 분사시켜서 모재 표면에 바로 코팅할 수도 있다.
상기 레이저 용사법을 이용한 제4실시형태의 일례를 들면, 브레이징재를 레이저 조사에 의해 용융 및 응고시켜, 모재의 표면에 브레이징층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 구현예를 들면, 레이저 용사법을 이용하는 상기 단계 (ii)에서 레이저의 파워는 900 ~ 1500W일 수 있다. 상기 레이저의 파장 영역은 적외선, 가시광선 및 자외선 중 어느 하나일 수 있으며, 일례로, 다이오드 레이저, 화이버 레이저, CO2 레이저, YAG 레이저 등을 포함할 수 있다. 또한 레이저 스캐닝 속도는 5 ~ 15 mm/s일 수 있다.
전술한 용사법에 의해 형성된 브레이징층의 두께는 20㎛ 이상일 수 있으며, 바람직하게는 20㎛ 내지 200㎛일 수 있다. 전술한 두께 범위는 전기 접점재료로 사용시 요구성능을 충족시킬 수 있으며, 이와 동시에 상대재와의 계면 접합이 용이하게 하고, 변형을 방지하기 위한 두께이다. 상기 브레이징층의 두께가 20㎛ 보다 얇을 경우 내구성이 불량하고, 열 변형과 희석 문제가 발생될 수 있으며, 이후 부분적으로 없어지거나 박리되어 상대재와의 접합이 불량해질 수 있다. 또한 상기 두께가 200 ㎛ 보다 두꺼울 경우 제조 비용 및 시간이 증가하여 제조원가가 상승하게 된다.
상기와 같이 용사법을 적용하여 모재 상에 브레이징층을 형성하는 과정은, 1회 또는 다수회로 이루어질 수 있으며, 횟수를 조절하여 브레이징층의 두께를 제어할 수 있다.
본 발명에서는, 필요에 따라 열처리하는 단계를 선택적으로 더 포함할 수 있다. 이러한 열처리 온도는 특별히 제한되지 않으며, 당 분야에 공지된 온도 범위 내에서 적절히 조절할 수 있다.
<전기 접점 재료>
본 발명은 상기 제조방법으로 제조된 전기 접점재료를 제공한다.
구체적으로, 상기 전기 접점재료는 모재의 일면 또는 양면 상에 형성된 브레이징층을 포함하며, 이들이 서로 일체화된 것이다. 이때 상기 브레이징층의 두께는 20 ㎛ 이상일 수 있으며, 구체적으로 20 내지 200 ㎛일 수 있다. 그러나 이에 제한되지 않으며, 사용자가 원하는 두께 범위로 조절 가능하다.
본 발명에 따른 전기 접점재료는, 플라즈마, 아크, HVOF, 레이저 용사법 중 어느 하나의 용사법을 적용함으로써 기존 공법보다 균일한 브레이징층(접합층)을 형성할 수 있다. 이러한 브레이징층은 조성 및 두께가 균일하면서도, 박리나 균열 없이 치밀한 조직 구조를 가지므로, 기존 공법에 비해 모재와 브레이징층 간의 접합 강도가 우수하다. 구체적으로, 본 발명의 전기 접점 재료는 모재와 브레이징층 간의 접합 강도가 250 내지 350 ㎏/㎠를 나타낼 수 있다.
전술한 본 발명의 전기 접점재료는 낮은 접촉저항, 높은 전기전도도, 높은 내아크성 및 내마모성 등의 특성을 유지하고, 기존 공법보다 균일한 브레이징층(접합층)을 확보할 수 있다. 이에 따라, 각종 스위치, 릴레이, 전자개폐기, 차단기 등의 모든 전기기기 내 구비되는 전기회로의 개폐 및 접촉 등에 사용 가능하다. 특히 개폐기, 스위치, 릴레이, 차단기 등의 전기기기의 전기회로에 유용하게 적용될 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 1~6. 플라즈마 용사법을 이용한 브레이징층 형성]
모재로는 롤 형태의 은 합금(은-카드뮴계)을 사용하였고, 브레이징재로는 평균 입경 10㎛인 구형의 은 합금(은-구리-인계) 분말을 사용하였다.
하기 표 1과 같은 조건 하에서, 모재 표면에 플라즈마 용사(plasma spray) 공정을 적용하여 브레이징층이 구비된 접점 재료를 제조하였다. 이때 플라즈마 용사 공정의 주요인자인 분위기 가스, 모재와 브레이징재 간의 거리, 인가 전압(Voltage) 등을 각각 하기 표 1과 같이 변경하면서 브레이징층을 형성하였다.
온도
(℃)		 시간
(min)		 Ar
가스
(SCFH)		 수소
가스
(SCFH)		 전류
(Amp)		 거리
(mm)		 시스템 전압
(V)		 Gun
전압
(V)		 Pass
(횟수)		 접합
상태
실시예1 - - 100 30 400 100 55 45 2 양호
실시예2 - - 100 30 400 150 55 45 2 양호
실시예3 - - 100 40 400 200 55 45 3 양호
실시예4 - - 100 40 400 230 55 45 4 양호
실시예5 - - 100 40 400 230 55 45 4 양호
실시예6 - - 100 50 400 200 55 45 4 양호
비교예1 700 60 - - - - - - - 불량
비교예2 750 30 - - - - - - - 불량
-SCFH(Standard Cubic Feet per Hour, 단위시간당 입방피트 체적의 유체가 흐름)
[비교예 1~2]
기존 용융접합을 적용하여 비교예 1~2의 전기 접점재료를 제조하였다.
모재로는 롤 형태의 은 합금(은-카드뮴계)을 사용하였고, 브레이징재로는 테이프 형태의 은 합금(은-구리-인계)을 사용하였다. 탄소 지그에 모재를 고정하고, 모재 표면에 브레이징재를 올려 질소 분위기의 상태에서 700~750℃의 온도에서 30~60분 동안 열처리하였다. 이후 용융된 브레이징재를 모재에 도포하여 접점 재료를 제조하였다.
[실시예 7~10. HVOF 용사법을 이용한 브레이징층 형성]
플라즈마 용사법 대신 고속 화염(HVOF) 용사법을 적용하여 모재 표면에 브레이징층을 형성하였다. 이때 HVOF 용사 공정의 주요인자인 산소 가스, 연료 가스, 캐리어 가스, 분위기 가스, 연소시 압력, 모재의 회전속도 등을 각각 하기 표 2와 같이 변경하면서 브레이징층을 형성하였다.
No. 산소
(Psi)		 Fuel
(SCFH)		 연소
압력
(psi)		 모재
회전속도
(RPM)		 Carrier gas (SCFH) Pass
(횟수)		 접합
상태
실시예7 1,000 2.8 70 3.8 30 3 양호
실시예8 1,000 2.8 70 3.8 30 4 양호
실시예9 900 3.0 65 3.8 30 4 양호
실시예10 800 3.0 65 3.8 35 5 양호
[실험예 1. 브레이징층의 물성 분석]
실시예 1 및 실시예 7에서 제조된 접점 재료의 접합층에 대한 분석을 하기와 같이 실시하였다.
도 1 및 2는 플라즈마 용사법을 통해 브레이징층이 형성된 실시예 1의 접점 재료의 단면 및 표면 SEM 사진이며, 도 3은 실시예 1의 브레이징층에 대한 XRD 분석 그래프이다.
또한 도 4 및 5는 HVOF 용사법을 통해 브레이징층이 형성된 실시예 7의 접점 재료의 단면 및 표면 SEM 사진이며, 도 6은 실시예 7의 브레이징층에 대한 XRD 분석 그래프이다.
도 7 및 도 8은, 용융접합에 의해 접합된 비교예 1의 접점재료의 단면 및 표면 SEM 사진이다. 도 7에서는 브레이징재로 사용된 테이프 형태의 은 합금(은-구리-인계)이 모재와 불균일하게 접합되어 있으며, 모재와 브레이징재 간의 박리가 일부 발생하였음을 알 수 있었다. 또한 도 8에서는 접점재료의 표면 상에 이물질이 다량 존재함을 알 수 있는데, 이러한 이물질은 기존 용융접합 공정에 의해 발생된 것으로서, 이로 인해 접점특성의 저하가 초래될 수 있음을 유추할 수 있다.
전술한 결과를 통해, 본 발명의 접점재료는 기존 용융접합에 비해 브레이징층과 모재 사이의 박리가 없을 뿐만 아니라 브레이징층 내부의 균열이 발생하지 않으면서, 20 ㎛ 이상의 두께를 갖는 브레이징층을 균일하게 형성할 수 있다는 것을 확인할 수 있었다. 또한 상기 브레이징층은 브레이징재로부터 유래된 균일한 조성을 갖는다는 것을 알 수 있었다.

Claims (17)

  1. 모재의 일면 또는 양면에 브레이징층이 구비된 전기 접점재료의 제조방법으로서,
    (a) 모재와 브레이징재를 준비하는 단계; 및
    (b) 플라즈마 용사, 아크 용사, 고속화염(HVOF) 용사 및 레이저 용사 중 적어도 하나의 용사(Thermal spray)법을 적용하여, 모재의 일면 또는 양면에 브레이징층을 형성하는 단계
    를 포함하는, 전기 접점재료의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 브레이징재는 은(Ag), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 아연(Zn), 인(P), 주석(Sn), 망간(Mn), 니켈(Ni) 및 철(Fe)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 금속 또는 합금인, 전기 접점재료의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 브레이징재는 은(Ag) 1.0 ~ 80.0 중량% 및 구리(Cu) 10.0 ~ 60.0 중량%를 포함하고, 알루미늄(Al), 아연(Zn), 인(P), 주석(Sn), 망간(Mn), 니켈(Ni) 및 철(Fe)로부터 선택된 적어도 하나를 더 포함하는, 전기 접점재료의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 브레이징재는 분말 또는 와이어(wire) 형태인, 전기 접점재료의 제조방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 분말형 브레이징재는 평균 직경이 5 내지 50㎛의 구형이며,
    와이어형 브레이징재는 폭이 1 내지 5mm인 전기 접점재료의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 브레이징층의 두께는 20 내지 200 ㎛인, 전기 접점재료의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 브레이징층을 형성하기 전에, 모재의 표면에 조도를 형성하는 단계를 더 포함하는, 전기 접점재료의 제조방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 용사법이 플라즈마 용사일 경우, 상기 제조방법은
    (i) 반응 챔버 내에 모재를 장입하고, 분말 피더(feeder)에 브레이징재를 투입한 후, 분위기 가스를 공급하여 준비하는 단계; 및
    (ii) 상기 반응 챔버에 플라즈마를 생성하여 모재의 표면에 브레이징층을 형성하는 단계
    를 포함하는 전기 접점재료의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 단계 (ii)에서, 분위기 가스는 50~150 SCFH의 불활성 가스; 및 20~60 SCFH의 수소 가스가 혼합된 가스이며;
    플라즈마 발생 전류는 300~500A이며,
    인가 전압은 30~65 V이며,
    모재와 브레이징 재료 간의 거리가 50~250mm인, 전기 접점재료의 제조방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 용사법이 아크 용사일 경우, 상기 제조방법은
    (i) 반응 챔버 내에 모재와 브레이징재를 장입한 후 분위기 가스를 공급하여 준비하는 단계; 및
    (ii) 상기 반응 챔버에 아크 방전을 이용하여 모재의 표면에 브레이징층을 형성하는 단계
    를 포함하는 전기 접점재료의 제조방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 단계 (ii)에서 아크 방전 용사시 온도가 2000 내지 4000℃이며,
    아크 방전의 용사 속도가 50 내지 60 m/s이고,
    전류가 50 ~ 500A이며,
    모재와 브레이징 재료 간의 거리가 50 ~ 200 mm인, 전기 접점재료의 제조방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 용사법이 고속 화염(HVOF) 용사일 경우, 상기 제조방법은
    (i) 반응 챔버 내에 모재를 장입하고, 분말 피더에 브레이징재를 투입한 후, 분위기 가스와 캐리어 가스를 공급하여 준비하는 단계; 및
    (ii) 상기 챔버 내에 고속 화염을 발생시켜 모재의 표면에 브레이징층을 형성하는 단계
    를 포함하는 전기 접점재료의 제조방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 단계 (ii)에서 분위기 가스는 2.5~3.5 SCFH의 연료가스; 및 600~1,200 psi의 산소 가스가 혼합된 가스이며;
    캐리어 가스는 25~40 SCFH의 불활성가스이고,
    연소 압력은 50~80 psi이고,
    모재의 회전속도가 2.5 ~ 5.0 rpm인, 전기 접점재료의 제조방법.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 용사법이 레이저 용사일 경우, 상기 제조방법은 브레이징재를 레이저 조사에 의해 용융 및 응고시켜, 모재의 표면에 브레이징층을 형성하는 단계를 포함하는, 전기 접점재료의 제조방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 단계 (ii)에서 레이저의 파워는 900 ~ 1500W이며,
    상기 레이저의 파장 영역은 적외선, 가시광선 및 자외선 중 어느 하나이며,
    레이저 스캐닝 속도는 5 ~ 15 mm/s인, 전기 접점재료의 제조방법.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 기재된 방법에 의해 제조된 전기 접점재료.
  17. 제16항에 있어서,
    스위치, 릴레이, 전자개폐기, 및 차단기 중 어느 하나의 접점으로 사용되는 전기 접점재료.
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