KR100606474B1 - 소결법에 의한 Ｗ-Ｃｕ 전기접점재료의 제조방법 - Google Patents

Abstract

소결법에 의한 W-Cu 전기접점재료의 제조방법, 및 그로부터 제조된 전기접점재료가 제공된다.

본 발명은, 중량%로, 텅스텐(W):48~67%와 동(Cu): 33~52%로 조성되고, 그 분말의 입도가 0.7㎛이하로 제어된 W-Cu 혼합분말을 마련하는 단계; 상기 혼합분말을 이용하여 소정 형상의 성형체를 제조한후, 암모니아 분해가스 또는 수소가스 분위기하에서 750~850℃에서 환원열처리하는 단계; 및 상기 환원열처리된 성형체를 1100℃~1200℃의 온도범위에서 소결하는 단계를 포함하는 W-Cu 전기접점재료의 제조방법과,

상기 제조방법으로 제조된 전기접점재료에 관한 것이다.

나노분말, 소결법, 전기접점재료, 차단기, 개폐기

Description

소결법에 의한 Ｗ-Ｃｕ 전기접점재료의 제조방법{A method for manufacturing electric contact materials including W-Cu using sintering process}

도 1은 본 발명의 방법으로 제조된 소결체의 SEM 조직사진(×1000)으로서,

도 1(a)는 60W-40Cu, 그리고

도 1(b)는 65W-35Cu를 나타낸다.

도 2는 본 발명법으로 제조된 소결체의 외관사진이다.

도 3은 본 발명법으로 제조된 전기접점재료를 실장시험하여 성공한 외관사진이다.

도 4는 60W-40Cu 나모분말 전기접점재료의 내마모특성을 나타내는 그래프이다.

본 발명은 W-Cu 전기접점재료 제조에 관한 것으로, 보다 상세하게는, W-Cu 혼합분말을 이용하여 소결법으로 제조원가가 저렴화여 가격경쟁력이 있을 뿐만 아니라 고품질의 전기접점재료의 제조방법, 및 그 전기접점재료에 관한 것이다.

전기접점재료를 제조하는 일반적인 공정으로는 크게 재압축법, 용침법 및 혼합소결법이 알려져 있다.

상기 재압축법은 고상소결 공정을 거치며, 부족한 밀도는 재압축하여 이론밀도에 가깝게 그 밀도를 물리적으로 상승시켜 열처리를 하는 방법이다. 그러나 이 제조방법은 재압축 공정에 따라 제조원가 저렴화가 어려울 뿐만 아니라 소형이고 양산을 요하는 Net Shape와 같은 소결 제품에 적용하기에는 어렵다는 문제가 있다.

그리고 상기 용침법은 1차적으로 텅스텐의 Skelton(골격)을 형성시킨 후 2차적으로 동을 용침시키는 전기접점재료 제조방법이다. 그러나 이 방법은 소형이고 양산을 요하는 제품에는 작업공수가 많아 제조원가 상승에 따른 가격경쟁력이 취약하다. 또한 시장의 품질을 만족할 수 있는 동을 용침할 수 있는 양은 약30중량%가 한계이므로 동의 양이 30중량%이상을 요하는 제품에 적용하기에는 고기능화, 전기용량의 증가에 따른 고품질을 기대하기가 어렵다는 한계가 있다.

한편 상기 혼합소결법은 텅스텐, 동을 최종제품의 구성비에 맞추어 혼합하여 액상소결에 의한 수축을 촉진시켜 치밀화를 유도하는 방법으로서, 특히 형상을 유지할 수 있는 동의 함량이 35~52중량% 범위 내에서 소형이고 양산을 요하는 제품의 제조방법으로는 상기 재압축법, 용침법 보다 유효하다. 그러나 이 방법에서는 혼합분말의 미세화 과정에서 불순물 혼입에 따른 전기전도도 및 열전도도가 저하될 문제가 있다.

따라서 본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 마련된 것으로서, 소결법을 이용한 전기접접재료 제조공정에 있어서, 원료분말로써 0.7㎛이하의 혼합분말을 이용하고 그 소결공정조건등을 최적화함으로써 저렴한 가격으로 고품질의 W-Cu 전기접점재료를 제조하는 방법, 및 그 전기접점재료를 제공함을 목적으로 한다.

이하, 본 발명을 설명한다.

현재, W-Cu나노 분말의 제조에 관한 연구개발이 활발이 진행되고 있으며, 특히, Heat Sink(열방열체)를 비롯한 일부 산업분야에서는 실제 이러한 나노분말을 이용이 현실화되고 있다. 이러한 W-Cu나노 분말은 입자가 미세하고 W의 분산이 비교적 균일한 것이 특징이다

본 발명자들은 이러한 W-Cu 나노분말을 이용하여 전기접접재료를 효과적으로 제조할 수 방법을 모색하기 위하여 연구와 시험을 거듭하였으며, 그 결과, 그 입도가 0.7㎛이하로 제어된 W-Cu분말을 원료분말로 하고, 이를 이용하여 소결조건 등을 최적화함으로써 조성비의 편차가 적을 뿐만 아니라 고품질의 전기접점재료의 제조가 가능함을 발견하고 본 발명을 제시하는 것이다.

따라서 본 발명은, 중량%로, 텅스텐(W):48~67%와 동(Cu): 33~52%로 조성되고, 그 분말의 입도가 0.7㎛이하로 제어된 W-Cu 혼합분말을 마련하는 단계; 상기 혼합분말을 이용하여 소정 형상의 성형체를 제조한 후, 암모니아 분해가스 또는 수소가스 분위기하에서 750~850℃에서 환원열처리하는 단계; 및 상기 환원열처리된 성형체를 1100℃~1200℃ 의 온도범위에서 소결하는 단계를 포함하는 W-Cu 전기접점재료의 제조방법에 관한 것이다.

또한 본 발명은, 상기 제조방법으로 제조된 전기접점재료에 관한 것이다.

전기접점재료의 사용영역은 넓으며, 이를 위하여 일반적으로 요구되는 특성은 아래와 같다.

(1)용착이 쉽게 발생되지 않을 것.

(2)소모가 적을 것.

(3)접촉저항이 낮고 안정을 유지할 것.

(4)전기적 열적 양도체일 것.

(5)열에 대한 변형저항이 클 것 등이다.

전기접점재료의 특성과 접점 성능간의 상관성을 파악할 수 있는 설계 파라 매트는 현재까지 해명되어 있지 않고 있으며, 따라서 각각의 사용환경에 맞는 접점재료가 선정되어 사용되고 있다. 여기서, 사용환경이란 전기접점부위의 분위기, 전기용량, 동작구동방식, 개폐회수 등을 말한다.

그런데 전기접점재료의 형상, 기기의 형태 등은 기기제조회사의 독자적인 설계 사양으로 인하여 기기제조회사에 따라 매우 다르기 때문에 각각의 사용환경에 맞는 전기접점재료의 제조방법이 필요하다. 전기접점재료의 물성과 관련하여, 예컨데, 종래의 일반적인 전기접점재료의 조성비에 따른 물성을 근거로 하여 사용환경에 맞는 재질설계를 하는 것도 중요하지만 주어진 전기접점재료의 물성에 대하여 사용할 수 있는 사용환경을 구조적으로 설계하는 것도 응용범위를 확대할 수 있는 방법이기도 하다.

이러한 관점에서 본 발명자들은 전기접점재료를 개발하기 위하여 다각적으로 연구한 결과, 종래의 용침법으로 제조가 어려운 동의 함유량이 33~52중량% 소형접점재료를 소결법을 이용하여 제조할 수 있음을 확인하였다. 또한 이와 같은 전기접점재료를 소결법으로 제조하기 위하여, 원료분말의 입도, 소결조건 등을 최적화해야 하며, 이에 따라 고품질과 가격경쟁력이 있는 전기접점재료를 제공할 수 있음을 확인하였다.

이하, 본 발명을 구체적으로 설명한다.

먼저, 텅스텐(W) 분말과 동(Cu) 분말을 예비적으로 혼합한다. 본 발명에서는 이때, 텅스텐(W) 분말의 함량을 48~67중량%, 그리고 동(Cu) 분말의 함량을 33~52중량%로 제한한다. 왜냐하면 동 대비 텅스텐함량이 상대적으로 적으면 소결시 형상이 변형되어 Net Shape 소결체를 얻기 어려울 뿐만 아니라 동이 용출하는 등 최종품질 관리가 어려워 치밀한 소결체를 얻을 수 있고, 너무 과다하면 중부하 및 경부하 개폐기,차단기에 요구되는 특성 중 접촉저항이 크지는 등 문제가 있기 때문이다.

또한 본 발명에서는 상기 원료분말로서 이용되는 텅스텐과 동 분말의 입자크기를 0.7㎛이하로 제한할 것이 요구된다. 본 발명자들의 연구결과, 이러한 분말의 입도가 0.7㎛를 초과하면 치밀화된 소결체를 얻기 어렵고, 이러한 치밀화된 소결체를 얻기위하여 소결온도를 높이에 되면 동의 용출을 피할 수 없어 조성비의 제어가 어려워지는등 품질관리문제가 있음을 확인하였다.

이어, 본 발명에서는 상기 혼합분말에 바인더를 혼합하여 봉(rod), 판(plate) 및 링(ring)등의 형상을 갖는 성형체를 제조한다. 이때 Net Shape의 수축율을 고려하여 성형체를 제조하며, 바인더는 수용성계 바인더로 가능한 분해잔류탄소가 적은 것을 사용한다. 바람직하게는 셀룰로스계 바인더를 이용하는 것이다.

이렇게 마련된 성형체는 이후 암모니아 분해가스 또는 수소가스 분위기하에서 혼합 및 취급시 산화되기 때문에 환원열처리되는데, 본 발명에서는 이때 그 열처리온도를 750~850℃로 제한한다. 왜냐하면 750℃미만에서는 유기바인더가 완전히 분해되지 않아 잔류할 가능성이 높고, 산화된 분말의 환원 및 유기바인더의 완전분해에 의한 적정온도는 850℃이면 충분하다.

다음으로, 본 발명에서는 상기 환원열처리된 성형체를 소결하는데, 본 발명에서는 이러한 소결공정에서의 온도범위를 1100℃~1200℃로 제한한다.

이러한 소결온도범위의 제어는 소결체의 치밀한 조직, 경도 및 도전율 확보측면에서 중요하다. 만일 소결온도가 1100℃미만이면 조직이 치밀하지 않고 1200℃를 초과하면 동의 용출이 일어나 조성비의 제어가 어려울 뿐만 아니라 텅스텐, 동의 편석이 발생할 수 있다.

이와 같은 제조공정을 통하여, 본 발명애서는 W-Cu 혼합분말의 순도가 2N이상이고, 활성소결에 의한 상대밀도 98중량%이상의 소결체를 효과적으로 얻을 수 있다. 또한, 중량%로, 텅스텐: 48~67중량%, 동:33~52중량%로 조성되고, 그 입자크기가 0.7㎛이하이며 텅스텐 또는 동이 균일하게 분산된 W-Cu 전기접점재료를 제조할 수 있으므로 향후 전기접점재료의 요구에 대응할 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.

(실시예 1)

하기 표1과 같이 그 조성성분과 평균입도를 달리하는 W-Cu 혼합분말을 마련하였다. 이렇게 마련된 각각의 혼합분말에 세룰로스계 바인더를 혼합한후, 직경￠38 * 두께T45mm, 길이L30 * 폭B10 * 두께T10mm의 성형체를 제조하였다. 이후 성형체를 750 ~ 850℃서 환원처리를 한후 1100℃~1200℃서 1hr 소결을 실시하였다.

이와 같이 제조된 각각의 소결체의 밀도, 경도 및 도전율을 측정하였으며, 그 측정된 결과를 또한 하기 표 1에 나타내었다. 한편 본 실험에서 소결체의 도전율(IACS%)은 20℃ 1m, 1mm², 8.9g/cm³ 순동의 저항값 1/58Ω에 대한 상대 백분율을 나타낸 값이다.

No.	원료분말조성 (중량%)	원료분말입도 (㎛)	소결온도(℃)	특성
				상대밀도 (g/cm3)	경도(HRb)	도전율 (IACS%)
1	50W-50Cu	0.5	1100	12.1	80	58
2		0.7	1100	12.1	77	59
3		0.5	1250	12.6	86	54
4		0.9	1200	11.7	72	50
5	60W-40Cu	0.5	1100	12.9	92	51
6		0.7	1100	12.9	88	52
7		0.5	1250	12.9	90	49
8		0.9	1200	13.4	82	45
9	65W-35Cu	0.5	1100	12.6	95	49
10		0.7	1100	13.6	91	50
11		0.5	1250	14.1	99	45
12		0.9	1200	13.1	85	45

상기 표 1에 나타난 바와 같이, 원료분말의 조성, 입도 및 소결조건이 최적으로 제어된 소결체(1-2, 5-6, 9-10)은 모두 혼합분말 입자의 분산이 균일하여 그 상대밀도, 경도 및 도전율의 측면에서 우수한 결과를 나타냄을 알 수 있다. 도 1(a)와 도 1(b)는 상기 소결체의 SEM으로 관찰한 단면 조직 사진으로서, 혼합 분말 입자의 분산이 균일하다는 것을 잘 나타내고 있다.

이에 반하여, 원료분말의 입도가 본 발명범위를 벗어난 소결체(4,8,12)는

일부 동의 용출이 발생하고 치밀화가 충분히 일어나지 않아 조성비에 적합한 물성 이 얻기 어렵다.

또한 소결온도가 본 발명의 범위를 벗어난 소결체(3,7,11)는 조직의 치밀화는 충분히 일어나나 소결온도가 너무 높아 동의 용출이 발생하여 원하는 조성비가 얻기 어렵다.

한편, 도 2는 본 발명법으로 제조된 소결체의 외관사진이며, 도 3은 본 발명법으로 제조된 전기접점재료를 실장시험하여 성공한 외관사진이다

(실시예 2)

실시예1의 성형체(5)를 이용하여 제조된 혼합분말 60W-40Cu전기접점재료에 대한 전기적 내마모시험(AC220V,1KA, On-Delay 1Sec, Off-Delay 1Sec, 접촉압력 4.5kg/cm2, 전극간격 20mm)을 실시하여, 그 결과를 도 4에 나타내었다.

도 4에 나타난 바와 같이, 본 발명법으로 전기접점재료가 종래법으로 제조된 전기접접재료 대비 동등한 수준의 전기적 소모량을 나타냄을 알 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 W-Cu나노 분말을 사용하여 소정의 형상으로 성형한 후 적정한 열처리 조건에서 소결하여 상대밀도가 98중량% 이상인 고품질의 나노 분말소결체를 얻을 수 있으며 마무리가공 또는 은도금을 하여 저렴한 가격으로 제공할 수 있다.

또한 본 발명에서 제조된 전기접점재료는 기존 제법으로 제조된 재료 대비 경도 및 도전율 편차가 적으며, 그 대략적인 물성을 하기 표 2와 같다.

전기접점재료	밀도(g/cm3)	경도(HRb)	도전율(IACS%)
50W~50Cu	12.0~12.5	75~90	57~68
60W~40Cu	12.9~13.4	88~100	51~59
65W~35Cu	13.5~14.0	91~102	48~55

Claims (2)

1. 중량%로, 텅스텐(W):48~67%와 동(Cu): 33~52%로 조성되고, 그 분말의 입도가 0.7㎛이하로 제어된 W-Cu 혼합분말을 마련하는 단계;

   상기 혼합분말을 이용하여 성형체를 제조한후, 암모니아 분해가스 또는 수소가스 분위기하에서 750~850℃에서 환원열처리하는 단계; 및

   상기 환원열처리된 성형체를 1100℃~1200℃의 온도범위에서 소결하는 단계를 포함하는 소결법에 의한 W-Cu 전기접점재료의 제조방법.
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