[논문]급속응고한 Ag-X%Zn계 전기접점재료에 미치는 Sn함량의 영향

김종규; 장대정; 주광일; 이은호; 엄승열; 남태운

급속응고한 Ag-X%Zn계 전기접점재료에 미치는 Sn함량의 영향
The Effect of the Sn contents on Rapidly Solidified Ag-X%Zn Electric Contact Materials 원문보기

한국주조공학회지 = Journal of Korea Foundry Society, v.28 no.4, 2008년, pp.184 - 189

김종규 (한양대학교) , 장대정 (한양대학교) , 주광일 (한양대학교) , 이은호 (한양대학교) , 엄승열 ((주)실버마인) , 남태운 (한양대학교)

Abstract ▼ AI-Helper

Ag-Cd alloy has been widely used as an electrical contact material, since Ag-Cd alloy has a good wear resistance and stable contact resistance. But nowadays Ag-Cd alloy is not considered as electrical contact material any more due to detrimental effect on environments. Currently, active researches are being performed on ($Ag-SnO_2$ and $Ag-SnO_{2}-In_{2}O_{3}$) as an alternative solution which can fix the remaining environmental problems. However, $In_{2}O_{3}$ is relatively expensive and Ag-Sn alloy has low wear resistance. Our recent research results show that Ag-X%Zn-Y%Sn has similar physical and chemical properties. In the present study, so we tried to change and to optimize the Zn oxide content to over 6 wt% and Sn oxide content with 0.5, 1.0, 1.5 wt%. Results obtained from the experiments on the Ag-X%ZnO-Y%$SnO_2$ are discussed.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 Zn합금에 Sn을 첨가할 때 나타나는 재료특성을 관찰하였다. In의 경우 단가가 높기 때문에 개발에 의한 효과를 기대할 수 없을거라 판단하여 제외하였다.

가설 설정

(b) Ag-8ZnO-YSnO₂ 리본의 경우 나타나는 경도값은 매우 불규칙 적이다. 이는 미산화 영역이 불균일하게 분포하고 있으며, Ag-6ZnO-YSnO₂에 비해 많은 산화물 함량으로 인해 결정립계에 산화물 집중현상이 나타남으로써 경도값이 불규칙하게 나타나는 것으로 판단된다.

제안 방법

즉, 내구성 등의 접점특성이 우수해 질 것으로 예상된다. Ag-10ZnO-YSnO₂와 동일한 거동을 보이는 Ag-12ZnO-YSnO₂,와 Ag-14ZnO-YSnO₂에 대한 미세조직 관찰은 생략하였다.
Ag-X%Zn-Y%Sn합금의 급속응고 거동과 내부산화 거동을 관찰하여 다음의 결과를 얻었다.
이 후 고용한도가 감소하여 200℃에서 25 wt%가 된다. Ag-Zn-Sn의 삼원계 합금에 대한 평형상태도는 나와있지 않으므로 Ag-Sn의 2원계 평형상태도를 통해 Ag에 대한 Sn의 고용한도를 알아보았다. Ag-Sn평형상태도에서 알 수 있듯이 724℃에서 11.
5 wt 로 선정하여 Sn의 영향을 고찰하였다. Ag-Zn에 Sn을 첨가하였을 때의 내부산화 거동을 관찰함으로써 Zn-Sn의 내부산화 거동의 특징을 분석하고 최종적으로는 내부산화 조건의 확립과 대체재료로서의 Ag-ZnO-SnO₂계 접점의 특성을 확립하였다.
하지만 급속응고법을 이용할 경우 얇은 스트립으로 제조가 되기 때문에 두께에 따른 산소의 미확산을 방지할 수 있다. Sn의 첨가양은 국제 특허가 0.02 wt%Sn~0.4 wt%Sn까지 설정되어 있으므로 본 연구에서는 0.5 wt%, 1 wt%, 1.5 wt 로 선정하여 Sn의 영향을 고찰하였다. Ag-Zn에 Sn을 첨가하였을 때의 내부산화 거동을 관찰함으로써 Zn-Sn의 내부산화 거동의 특징을 분석하고 최종적으로는 내부산화 조건의 확립과 대체재료로서의 Ag-ZnO-SnO₂계 접점의 특성을 확립하였다.
냉각 휠의 직경은 100 mm이고, 재질이 Cu인 휠을 사용하였으며 회전속도를 1000 rpm 으로 하였다. 급속응고 된 리본은 내 부산화로에서 내부산화를 실시하였다. 내부산화를 통하여 ZnO 함량이 6, 8, 10 wt%가 되고 SnO₂함량이 0.
5 wt%가 될수 있도록 Table 1과 같이 합금의 조성을 변화시켰다. 내부산화 조건은 650℃, 2 kgf/cm의 온도와 산소압력 하에서 산화 시간을 10 min, 20 min, 30 min, 60 min으로 변화시켜 시간에 따른 내부산화 거동을 관찰하였다. 내부산화 후 미세조직 관찰과 상분석을 하였다.
내부산화 조건은 650℃, 2 kgf/cm의 온도와 산소압력 하에서 산화 시간을 10 min, 20 min, 30 min, 60 min으로 변화시켜 시간에 따른 내부산화 거동을 관찰하였다. 내부산화 후 미세조직 관찰과 상분석을 하였다. Fig.
급속응고 된 리본은 내 부산화로에서 내부산화를 실시하였다. 내부산화를 통하여 ZnO 함량이 6, 8, 10 wt%가 되고 SnO₂함량이 0.5, 1.0, 1.5 wt%가 될수 있도록 Table 1과 같이 합금의 조성을 변화시켰다. 내부산화 조건은 650℃, 2 kgf/cm의 온도와 산소압력 하에서 산화 시간을 10 min, 20 min, 30 min, 60 min으로 변화시켜 시간에 따른 내부산화 거동을 관찰하였다.
In의 경우 단가가 높기 때문에 개발에 의한 효과를 기대할 수 없을거라 판단하여 제외하였다. 이에 반해 Zn-Sn의 양호한 내부산화성과 가격경쟁력, 접점재료로서의 접점특성이 양호하다는 장점과 급속응고법의 장점을 이용하여 실험을 하였다. 일반주조법에서는 완전한 내부산화를 위해 오랜 산화시간과 높은 산소압이 요구된다.
99%Sn의 소재를 사용하였다. 장치는 리본을 연속적으로 제조할 수 있는 Fig. 1과 같은 급속응고 장치를 사용하였고 최초 용해로에서 Ag를 먼저 용해한 후에 Zn과 Sn 순으로 후장입한 후 교반하여 합금화하였다. 1회 용해에 사용된 소재의 장입량은 총 100g이며, 용해로의 온도는 1000℃로 유지하였다.

대상 데이터

합금설계에 있어서 순도 99.99%Ag, 99.99%Zn, 99.99%Sn의 소재를 사용하였다. 장치는 리본을 연속적으로 제조할 수 있는 Fig.

성능/효과

1) 내부 산화하지 않은 재료의 경도는 크게 변하지 않고 XRD 관찰을 통해 Sn과 Zn모두 Ag 기지 내에 완전히 고용됨을 알 수 있다.
2) Sn이 첨가되면 리본의 미세조직과는 관계없이 미산화 영역, 결정립계에 집중된 산화물 구역, 내부산화 영역으로 구분할 수 있다.
3) 6%의 ZnO를 포함하는 재료는 본 연구의 내부산화 조건에서 1% SnO₂첨가하고 60분 동안 내부산화하면 완전한 내부산화를 얻을 수 있다.
4) 8%의 ZnO를 포함하는 재료는 60분의 산화시간을 유지하여도 완전한 내부산화를 얻을 수 없다.
5) Ag-6ZnO-YSnO₂리본의 경우 Sn의 함량이 많아질수록 경도값이 상승하고 있음을 알 수 있다. 이는 미세조직 관찰에서 나타난 바와 같이 Sn함량이 많아질수록 미산화 영역이 좁아지고 내부산화 영역이 넓어지기 때문이다.
5SnO₂에 비해 미산화 영역이 현저히 줄어들었으며 60분에서는 내부산화 구역과 결정립계 산화물 구역만이 관찰된다. 따라서 본 연구의 내부산화 조건에서 1SnO₂를 첨가하고 60분 동안 내부산화하면 완전히 내부산화된 시편을 얻을 수 있다.
5 wt%의 SnO₂을 포함하는 각각의 Ag-Zn-Sn합금에 대한 XRD 결과를 나타내고 있다. 분석 결과 모든 시편에서 Ag 및 Zn 산화물과 관련된 피크만 관찰되고 Sn 산화물에 관한 피크는 관찰되지 않았다. 이것은 Sn 산화물의 분율이 매우 적어서 XRD 분석 범위를 벗어나기 때문에 관찰되지 않는 것으로 판단된다.
의 함량이 증가할수록 내부산화되는 시간이 빨라지고 미산화 영역이 줄어드는 사실로부터 Sn이 용질원자의 확산을 방해하는 역할 뿐만 아니라 산소원자의 확산속도도 빠르게 하는 것으로 예측된다. 산소원자가 치밀한 격자 사이로 확산하는 것보다 결함이 있는 격자 사이로 확산하는 것이 유리할 것이며, Sn이 Ag에 고용되어 있을 때 서로 다른 원자 반경에 의해 결정 격자에 결함이 생기고 이러한 결함을 따라 산소원자가 빠르게 확산하는 것으로 판단된다.
이러한 현상은 Ag-12ZnO-YSnO₂, Ag-14ZnO-YSnO₂에서도 동일하게 관찰되고 있다. 즉, Ag-Zn-Sn합금의 내부산화는 전체 산화물 함량이 10 wt% 이상이 될 경우 내부산화 하기 어렵다는 결론을 내릴 수 있다. 급속 응고한 Ag-Zn-Sn 리본이 급속응고한 Ag-Zn합금에 비해 낮은 산화물 함량을 나타내지만 일반 주조재의 경우 8 wt%이상의 산화물을 포함하면 내부산화가 되지 않는다는 것[10] 과 비교해 보았을 때 좀더 많은 산화물을 포함할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Ag-CdO계 접점재료를 대체하기 위해 Sn 산화물의 사용할 때 단점은?	Sn산화물이 Cd산화물에 비해 승화 온도가 높아 고온 안정성이 우수하고 산화물의 입자가 매우 작은 특징이 있어 접점재료로서 우수한 특성을 가질 수 있다. 하지만 Sn산화물의 함량이 4 wt%정도에서 내부산화가 급격히 감소되고, 8 wt%에서는 표면에 산화물 층이 형성되어 외부로부터 산소의 침투를 막아 내부산화가 진행되지 않는다는 단점을 가지고 있다[7]. 이를 해결하기 위해 제 3원소의 첨가 연구가 이루어졌으나 3원소들이 고가여서 가격경쟁력에 있어서 해결해야 할 점이 많이 남아 있는 실정이다.
	전기접점이란?	전기접점은 차단기, 개폐기 등의 전기기구 및 설비에서 회로의 개폐 또는 접촉시 사용되는 전기 접촉 소자를 말한다. 접점은 전기 전도도가 우수하고 아크나 열을 방출하기 위해 열전도도 특성도 좋아야 한다.
	Zn-Sn의 장점은?	In의 경우 단가가 높기 때문에 개발에 의한 효과를 기대할 수 없을거라 판단하여 제외하였다. 이에 반해 Zn-Sn의 양호한 내부산화성과 가격경쟁력, 접점재료로서의 접점특성이 양호하다는 장점과 급속응고법의 장점을 이용하여 실험을 하였다. 일반주조법에서는 완전한 내부산화를 위해 오랜 산화시간과 높은 산소압이 요구된다.

참고문헌 (10)

Shinsaeng Metal Ind. Co.,Ltd. Korea, Production Catalog, (1991), 6-6
A. M. Cassie, Nature, "The Arc Cathode" Vol. 18, (1958), 476-476
Y. S. Shen, E. J. Zdanuk and R. H. Krock, Met. Trans., "The influence of additives on the formation of periodic precipitation in the Ag-Cd alloy", 2, (1971), 2959-2961
F. O. Haarbye, US Patent 3989516, "Method of making silvercadmium oxide-tin oxide type contact materials", Nov. 2 (1976) 1-8
E. walczuk, Metal, IEICE Trans., "Welding tendency of closed contacts", 31 (1977) 381-384
Y. Karakas, int. of Powder Metall., "Switching performance of tungsten-silver electrical contacts", April (2002) 40-40
A. Shibata, US Patent 4243413, "Integrated Ag-SnO alloy electrical contact materials", Jan. 6 (1981) 1-6
A. Verma, T. R. Anantharaman, J. Mater. Sci, "Internal Oxidation of Rapidly Solidified Silver-Tin-Indium Alloy Powders", 27 (1992) 5623-5628

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WEEE, Waste Electrical and Electronic Equipment, (2002) 96
K. K. Soni, D. B. Willians, D. E. Newbury, G. Gillen, P. Chi and D. S. Bright, Met. Trans., "Compositional changes in aluminum-lithium-base alloys caused by oxidation" 24, (1993) 2279-2288

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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