급속응고한 Ag-Zn계 합금의 내부산화반응 및 전기접촉특성에 관한 연구

Title
급속응고한 Ag-Zn계 합금의 내부산화반응 및 전기접촉특성에 관한 연구
Other Titles
A study for the internal oxidation reaction and electrical contact properties of rapidly solidified Ag-Zn alloys
Author
장대정
Alternative Author(s)
Chang, Dae-Jung
Advisor(s)
南泰運
Issue Date
2007-08
Publisher
한양대학교
Degree
Doctor
Abstract
전기접점재료는 차단기, 개폐기 등 각종 전기기구와 전기 설비에서 회로의 개폐 또는 접촉을 기계적으로 작동하는 전기 접촉 소자로서 접점부는 전류를 끊을 때 생기는 불꽃이나 아크에 의해서 손상되기 쉽다. 그러므로, 그 재료에는 전기 및 열의 양도체로서 접촉저항이 작고, 녹는점 및 기화점이 높으며, 산화에 의한 변질이 적고, 경도가 높아 마모하지 않는 특성이 요구된다. 이러한 특성에 부합되는 재료에는 Ag-산화물계 접점재료가 대표적이며, Ag-CdO, Ag-SnO2 등이 많이 연구되고 있다. Ag-CdO는 내마멸성과 전기전도도, 접촉저항 등이 양호하여 최근까지 가장 선호된 접점재료이다. 그러나 내부에 형성되는 산화물의 입자가 크고, 최근 중금속 규제 및 특정유해물질에 대한 사용제한 규정이 강화되면서 중금속인 Cd가 환경오염을 야기하는 원소로 분류되어 Cd 을 대체할 새로운 재료가 절실히 요구되었다. Ag-SnO2와 Ag-SnO2-In2O3는 이러한 요구에 맞추어 유럽과 일본 등 선진국에서 개발된 재료이다. 하지만 Ag-SnO2는 내마멸성이 낮아 수명이 짧고, Ag-SnO2-In2O3는 고가의 In을 사용하여 가격 경쟁력이 떨어지는 단점이 있다. Zn은 Cd와 유사한 물리적, 화학적 특성을 갖고 있으며, 특히 증기압(vapor pressure)이 Cd와 유사하여 내부산화를 방해하는 표면 산화물이 형성되기 어렵고, 전기접촉저항이 낮아 접점재료로서 Ag-CdO를 대체할 소재로 연구되고 있다. 현재 Ag-ZnO의 제조방법은 주로 분말야금법 이나 주조 후 내부산화법을 사용한다. 하지만 분말야금법은 공정이 복잡하고 제품의 치밀도가 낮은 문제점이 있으며, 주조 후 내부산화법은 산화물의 함량을 높이기 어렵고, 내부산화 시간이 장시간 소요되는 등의 단점을 갖는다. 본 연구에서는 급속응고법을 이용하여 Ag-ZnO계 접점재료를 제조함으로써 공정을 단순화 시키고, 산화물의 함량을 향상시키며 내부산화 시간을 단축하고자 하였다. 합금설계를 통하여 Zn함량에 따른 특성변화와 Sn첨가의 영향을 관찰하였다. 급속응고 장치를 통해 리본을 제조하고, 산화로를 이용하여 650℃에서 주어진 시간 동안 2kgf/㎠의 압력하에 내부산화를 실시하였다. 각각의 리본에 대하여 경도, 미세조직 관찰 및 상분석을 하였으며, 이론적 해석을 수행하였다. 최종적으로 접점을 제조하여 접촉저항시험을 통해 Ag-ZnO계 접점재료와 기존의 사용재료와의 특성을 비교 고찰하였다. 급속응고리본의 제조를 위해 적용한 냉각 휠의 속도는 1000rpm이며 이때의 냉각속도는 5.3 × 105 K/s로 산출되었다. 제조된 리본의 미세조직은 주로 등축정으로 나타났으며 elongated cellular나 조대화된 미세조직이 냉각속도의 감소에 의해 나타남을 확인하였다. Ag에 대한 Zn 및 Sn의 고용한도는 각각 200℃에서 22wt% 및 9.8wt%를 나타내기 때문에 본 연구에서 적용한 6~14wt%ZnO (4.82~11.24 wt%Zn)과 0.5~1.5 wt%SnO2 (0.78~1.18 wt%Sn)의 합금첨가범위에서 제조된 리본은 완전한 고용체로 응고하였으며 이를 XRD관찰을 통해 확인하였다. 급속응고로 제조된 리본을 각각 다른 내부산화 시간에 따라 시험하여 다음의 결과를 얻었다. 첫 번째, Ag-ZnO합금에서, 6~12wt%ZnO까지 20~30min의 내부산화시간을 유지하면 완전한 내부산화가 가능하나 14wt%ZnO의 경우 외부에 산화물층이 먼저 형성되어 내부산화가 일어나지 않는다. 두 번째, Ag-ZnO-SnO2합금을 내부산화하면 결정립계 산화물 구역, 미산화 구역, 내부산화 구역의 3구역으로 미세조직을 구분할 수 있다. Sn이 첨가된 경우 10wt%ZnO이상에서는 외부산화물층에 의해 내부산화가 일어나지 않으며 8wt%ZnO의 경우에도 3구역이 매우 불규칙적으로 나타나므로 균일한 합금특성을 얻기가 어렵다. 따라서 Ag-ZnO 합금에 SnO2를 0.5%~1.5%첨가할 경우 ZnO의 함량이 6wt%을 넘어서는 안 된다. 이와 같은 결과를 바탕으로 내부산화가 가능하고 산화물의 함량이 많아야 하는 조건에 적합한 Ag-12wt%ZnO합금을 선정하여 성형 및 압출, 압연의 과정을 거쳐 접점을 제조하였다. 제조한 접점을 이미 상용화된 Ag-15wt%CdO 및 Ag-8wt%SnO2와 전기접촉시험을 비교 시험하여 그 결과를 고찰하였으며 다음과 같은 결과를 얻었다. 첫 번째, 접촉저항은 Ag-12wt%ZnO가 다른 재료에 비해 약간 높은 값을 나타낸다. 이는 다른 접점에 비해 Ag-12%ZnO 접점의 경도가 높기 때문이다. 두 번째, 접촉 수명은 Ag-15wt%CdO와 유사하게 나타났으며, Ag-8wt%SnO2 보다는 우수하게 하게 나타났다. 이는 소모 및 융착과 이전에 의해 나타나는 것으로, Ag-15wt%CdO는 소모는 많이 발생하지 않았으나 융착과 이전의 정도가 심하고, Ag-8wt%SnO2는 소모가 상당히 나타나지만 융착과 이전은 양호한 결과를 나타낸다. Ag-12wt%ZnO의 경우, 소모, 융착, 이전의 결과들이 모두 양호하게 나타났다. 결과적으로, Ag-12wt%ZnO접점은 Ag-15wt%CdO 및 Ag-8wt%SnO2 접점에 비해 접촉저항은 떨어지나 소모 및 융착 과 이전에 대한 결과는 매우 우수하다.; Electrical contact materials are used in a variety of applications, such as electrical switches, contactors, circuit breakers, voltage regulators, arcing tips, switch gears and relays. Materials used electrical contacts in these applications must have a good combination of electrical conductivity, wearing qualities, and resistance to erosion and welding. Ag-CdO is particularly suitable for contact material because it is chemically stable, exhibit high conductivity and show good resistance for welding. In spite of all these advantages, Cd is known to be a health hazard. Therefore, substitution of Cd with other alloying elements is highly desirable. Ag-SnO2 has shown a promising prospect in application because of its high vaporization temperature and environmentally friendly characteristic. While Ag- SnO2 has oxidation layers on the surface, internal oxidation does not occur in 8wt%Sn. Zn is a potential candidate to replace Cd. Zn has similar physical and chemical properties and close vapor pressure with Cd. In addition, the electrical contact resistance of Ag-ZnO is lower and is non-toxic environment friendly material. In this study, Ag-Zn and Ag-Zn-Sn alloys were produced using a rapid solidification process (RSP) and internally oxidized. Ag-ZnO contactors were made by hot extrusion, hot rolling and press. The results of this study are shown below. For the Ag-Zn alloy, the internal oxidation was completed within 30min at the case of ZnO content is under 12wt%. While Zn content is over 14wt%, internal oxidation does not occur because of the oxide layer formation near the surface. Ag-Zn-Sn alloy has three different area, which is non-oxidized area, area of oxide at grain boundary and oxidized area. For Ag-6ZnO-YSnO2 alloy, non-oxidized area is decreased with Sn content increase. When SnO2 content is 0.5wt%, the oxidation process relies on oxide diffusion. But SnO2 content is over 1 wt%; the oxidation process relies on solute diffusion. For Ag-8ZnO-Y SnO2 alloy, three area appears un-uniformly. So the properties of Ag-8ZnO-Y SnO2 alloy are hard to determine. As a result of the case of Ag-Zn-Sn alloy, Zn content should not over 6wt% when Sn content is 0.5~1.5wt%. Ag-12wt%ZnO alloy was chosen to make electrical contactor. 12wt% is maximum ZnO content to complete internal oxidation at this study. The contact resistance test was performed. For the comparison, commercial Ag-15wt%CdO and Ag-8wt% SnO2 were performed as same time. As a result, Ag-12wt%ZnO shows slightly high contact resistance than other materials. It is because of the high hardness of Ag-ZnO. Contact resistance depends on hardness of material. The hardness of Ag-12wt%ZnO is 155Hv and higher than other material (Ag-15%wt%CdO: 105Hv, Ag-8%SnO2: 95Hv) Finally, Ag-12wt%ZnO shows higher contact life than Ag-8%SnO2. The consumption is similar with Ag-8wt%SnO2 and fusion splicer is similar with Ag-15wt%CdO. So it should be a substitution for harmful CdO contact material
URI
https://repository.hanyang.ac.kr/handle/20.500.11754/148832http://hanyang.dcollection.net/common/orgView/200000407093
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GRADUATE SCHOOL[S](대학원) > DEPARTMENT OF METALLURGY & MATERIALS ENGINEERING(금속재료공학과) > Theses (Ph.D.)
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