Ag/WC 소결 전기 접점 소재의 미세조직, 기계적 및 전기적 특성에 미치는 WC 입자 크기의 영향
Effect of WC Particle Size on the Microstructure, Mechanical and Electrical Properties of Ag/WC Sintered Electrical Contact Material
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Abstract
The Ag/WC electrical contacts were prepared via powder metallurgy using 60 wt% Ag, 40 wt% WC, and small amounts of Co3O4 with varying WC particle sizes. After the fabrication of the contact materials, microstructure observations confirmed that WC-1 had an average grain size (AGS) of 0.27 μm, and WC-2 had an AGS of 0.35 μm. The Ag matrix in WC-1 formed fine grains, whereas a significantly larger and continuous growth of the Ag matrix was observed in WC-2. This indicates the different flow behaviors of liquid Ag during the sintering process owing to the different WC sizes. The electrical conductivities of WC-1 and WC-2 were 47.8% and 60.4%, respectively, and had a significant influence on the Ag matrix. In particular, WC-2 exhibited extremely high electrical conductivity owing to its large and continuous Ag-grain matrix. The yield strengths of WC-1 and WC-2 after compression tests were 349.9 MPa and 280.7 MPa, respectively. The high yield strength of WC-1 can be attributed to the Hall–Petch effect, whereas the low yield strength of WC-2 can be explained by the high fraction of high-angle boundaries (HAB) between the WC grains. Furthermore, the relationships between the microstructure, electrical/mechanical properties, and deformation mechanisms were evaluated.
1. Introduction
전기 접점 소재는 차단기, 개폐기 등 전기 회로를 여닫 을 때 접촉하는 부위에 적용되는 통전용 접촉 소자용 소 재를 말한다[1,2]. 이 소재는 자동차, 가전 제품, 항공 우 주, 산업 기기 및 군사 장비 등의 넓은 산업 분야에 응용 되고 있다[3-5]. 일반적으로 전기 접점 소재는 인가 전류 범위에 따라 소전류용(1 A 이하), 중전류용(1A~600 A), 대 전류용(600 A 이상)으로 분류되며, 각각 사용되는 용도가 달라서 요구되는 특성에도 차이가 있다[6]. 대전류용에서 사용되는 전기 접점 소재의 경우 기본적인 고융점 물성과 함께 우수한 내용착성, 내마모성, 전기전도도, 열전도도 등의 여러 물성이 요구된다[7]. 접점 소재의 성능은 기기 의 작동 안정성과 수명에 중요한 역할을 하므로 요구되는 물성을 만족하기 위한 적절한 재료에 대한 선택이 필수적 이다.
Ag/WC 전기 접점 소재는 대전류용에 사용되는 것으로 Ag 기지에 내화상을 추가하여 아크 부식 및 질량 손실을 최소한 것이다[8]. 하지만 내화상에 의한 전기 접촉 저항 의 증가가 동반되며 Ag의 부피 분율을 조정하여 접촉 저 항의 증가를 제어하게 된다. 이에 주로 금속 기지에 연성 및 침투 네트워크를 형성하는 많은 양의 Ag가 함유된다 [9]. 또한 함유되는 내화상의 입자 크기, 모양 및 분포 등 은 전기 접점의 전기적, 기계적 특성에 크게 영향을 미치 는 것으로 보고되고 있다[10]. 이에 함유되는 내화상이 전 기 접점에 미치는 영향을 이해하고 이를 통해 전기 접점 의 물성을 영향을 규명하는 것이 필요하다.
Ag/WC 계 전기 접점 소재와 관련하여 F ehim F indik 등 [11]은 분말 야금법으로 제조된 Ag/WC 및 Ag/W의 미세 구조, 경도 및 전기적 특성을 보고한 바 있다. 여기에서 Ag/W 접점과 관련해서는 Ag의 함량에 따른 전기 전도도 및 경도 변화를, Ag/WC 접점에 대해서는 흑연 첨가 유무 에 따른 전기 전도도의 변화를 제시하였다. Nachiketa Ray 등[9,12,13]은 Ag/WC 전기 접점에서 WC 크기에 의한 접촉 저항 변화에 대해 조사하였으며 2D, 미세 구조 기반 모델링을 통해 WC 입자 크기에 따른 열전도도 및 열충격 저항성에 대한 기구 및 영향을 보고하였다. 한편 Ag/WC 에 Ni을 첨가하여 전기 접촉 저항에 대한 영향을 조사한 결과도 보고되었다[12]. 이와 함께 SPS(Spark plasma sintering) 공정을 통해 Ag/WC 전기 접점을 제조하고 급속 소결 공정으로 새로운 접점 제조 공정에 대한 가능성도 제기된 바 있다[13]. 하지만 상기 언급된 연구를 제외하고 Ag/WC에 대한 연구가 거의 제시되지 않은 실정이며, 접 점 제조 과정에서의 내화물에 의한 미세조직 형성의 영향 및 이와 연계한 접점의 물성 연구는 이루어진 바 없다.
본 연구에서는 압축-소결-침투 과정이 포함된 분말 야금 법을 이용하여 WC 입자 크기가 다른 Ag/WC 전기 접점 소재들을 제조하였다. 제조된 소재들에서 WC 입자 크기 (평균 입도가 0.27 μm 및 0.35 μm 인 두 소재들, 이하 각 각 WC-1, WC-2로 명명)에 따른 미세조직을 관찰하고, 이 접점 소재들의 전기 및 기계적 특성들을 조사하여 그 상 관 관계를 규명하고자 하였다.
2. Experimental
본 연구에 사용된 Ag/WC 전기 접점은 최종 제품의 구 성비에 따른 원료 분말의 혼합, 제품 형상을 가진 성형체 제조를 위한 압축, 액상 소결, 바렐 연마와 같은 후처리를 포함한 일반적인 소결 접점 제조 방식을 통해 제조되었다 [14]. 접점 제조에 사용된 모든 분말은 LT 메탈에서 제조 되었으며, 99.9% 이상의 순도를 가진다. Ag/WC 소결 접점 제조를 위해 Ag, WC 분말을 각각 60:40 질량 비율로 혼합 하였으며 Co3O4는 소결성을 높이기 위해 소량 첨가되었다.
Ag/WC 전기 접점의 미세조직 관찰을 위해 SiC 연마지 (#400~#2000) 및 1 μm의 diamond suspension을 사용하여 기계적 연마를 실시하였다. 또한 제조된 소결 접점의 결정 방위 및 결정립계 분석을 위하여 0.04 μm colloidal sillica 를 사용하여 경면 연마를 추가적으로 수행하였다. 미세조 직 및 상 분석을 위하여 FE-SEM(Field Emission Scanning Electron Microscope, MYRA 3 XMH), EBSD(Electron Backscatter Diffraction, MYRA 3 XMH), XRD(X-ray diffraction, Rigaku KRD Ultima IV) 장비를 사용하였다. 또한 EBSD 데이터 분석을 위해서 imaging microscopy software (AZtecHKL) 프로그램을 이용하였다.
전기 접점 소재들의 전기 전도도 특성 시험은 ASTM B193을 기준으로 수행하였다. 이 때 DC 저항 테스터 (AT512, Jiangsu Anbai Instruments Co)를 사용하여 측정 하였다. 전기 전도도의 단위는 %IACS(International Annealed Copper Standard)를 사용하였으며, 이는 순수 Cu의 상온 전기 전도율을 100%로 두고 이에 대한 상대적 비율 을 의미한다. 경도를 측정하기 위해 Vickers 경도 측정 장 치(Vicker’s Hardness Tester, HMV-2)를 사용하였으며, 이 때 부여 하중은 0.3 Kgf이었고 총 12회 측정하여 평균값을 구하여 제시하였다. 기계적 특성 평가를 위한 압축 시험의 경우 MTS 810 장비를 이용하여 10-3/s의 초기 변형률 속 도 조건으로 수행하였고, 3번의 반복 실험 후 평균 물성을 사용하였다.
3. Results and Discussion
그림 1에 Ag/WC 전기 접점 소재들의 전기 전도도를 측 정 결과를 제시하였다. 이 때 전기 전도도(ρ)는 다음의 식 (1)을 사용하여 계산되었다.
Electrical conductivity measurement results of Ag/ WC Electrical Contact Materials.
여기서 R, L 및 A는 각각 샘플의 전기 저항, 길이 및 단 면적을 의미한다. 전기 접점 소재 WC-1의 경우 60.4%, WC-2의 경우 47.8%의 전기 전도도를 가지는 것으로 측정 되었다. 기존에 보고된 바에 의하면, 기존 분말 야금 공정 으로 제조된 Ag-WC(60-40 wt%) 전기 접점의 전기 전도도 는 46-55% 사이의 값을 나타내는 것으로 알려져 있다[11]. 즉 본 연구에서의 WC-2의 경우 이보다 더 높은 전기 전 도도를 나타냄을 확인할 수 있었다.
그림 2는 Ag/WC 전기 접점 소재들의 XRD 분석 결과 들로 기본 Ag 기지와 함께 WC 및 Co3O4 피크들이 검출 되었다. 두 소재들(WC-1 과 WC-2)에서 검출된 XRD 피 크 위치들은 비슷한 경향을 나타냈으나, WC-2의 경우 WC-1 보다 WC 피크 강도가 더 높고 확연(sharp)하게 나 타남에 따라 WC-1의 WC 입자 크기가 상대적으로 더 큰 것을 유추할 수 있었다.
X-ray diffraction analysis results of Ag/WC contact materials.
그림 3은 제조된 Ag/WC 전기 접점 소재들의 초기 미세 조직 관찰 결과로서, WC-1 및 WC-2 소재들 모두 진회색 의 Ag 기지(matrix)와 흰색의 WC 내화물, 흑색상의 Co3O4 로 구성되어 있었다. Ag와 WC는 낮은 습윤성으로 인해 침투 공정에서 쉽게 섞이기가 어려운 것으로 알려져 있다 [15,16]. 또한 낮은 습윤성은 접점 내부에 결함 생성을 유 도하여 접점 물성의 저하를 초래할 수 있다[17]. 본 연구 에서 Co3O4의 첨가는 WC의 소결 목을 제공하여 소결성 을 향상시키는 역할을 하게 되며, 미세조직을 통해서도 이 를 확인할 수 있었다. 그림 3(a1-a3)는 WC-1의 미세조직 관찰 결과이며, WC와 Co3O4의 고른 분포를 보여준다. 그 림 3(b1-b3)의 경우 WC-2의 초기 미세조직으로 용침 과 정에서 채워지지 않은 기공과 함께 불균일한 미세구조을 확인할 수 있었다. 또한 용침되지 않은 영역 주위에 Co3O4가 집중적으로 분포되어 이것이 용침을 돕는 상임을 다시 한번 유추할 수 있었다.
Initial microstructures of Ag/WC electrical contact materials of (a1-a3) WC-1, (b1-b3) WC-2.
소결 과정에서 Ag의 흐름 거동을 이해하기 위해 Ag/ WC 전기 접점의 EBSD 분석을 수행하였고, 그림 4, 5에 그 결과를 나타냈다. 여기에서 WC상의 평균 입도(average particle size)들은 WC-1의 경우 0.27 μm, WC-2의 경우 0.35 μm 크기로 측정되었다. 이러한 결과는 XRD 결과에 서 나타난 WC-2의 높은 피크 강도 결과와 잘 상응하는 것이다. 그림 4에 나타낸 WC-1의 IPF(Inverse Pole Figure) map에서 Ag 입계(grain boundary)는 WC 경계를 따라서 형성된 흐름 거동을 나타냈다. 이는 용침 과정에서 WC에 의해 Ag가 고정(pinning) 되는 것과 관계가 있는 것으로 설명될 수 있다. 그림 5는 WC-2의 IPF map 결과로 여기 에서 Ag 결정립(grain)의 크기가 매우 큰 것을 확인할 수 있었으며, 이와 같은 크고 연속된 Ag 기지의 형성은 큰 WC 입자 크기에 기인하는 결과로 이해될 수 있다. 또한 WC-2 소재에서 상기 길고 연속된 Ag 기지의 특징으로 인 하여 기존 Ag/WC 소결 전기 접점 소재들보다 더 높은 전 기 전도도(그림 1)를 나타내는 것으로 유추된다.
EBSD analysis results of Ag/WC (WC-1).
EBSD analysis results of Ag/WC (WC-2).
그림 6은 EBSD 상 분석과 함께 결정립계 길이 분율을 2°, 5°, 15°를 기준으로 분류한 분석 결과를 나타낸 것이 다. 일반적으로 결접립계의 각도가 2°~5°인 것들을 DA (deformation angle), 5°~15°를 LAB(low angle boundary), 15° 이상을 HAB(High Angle Boundary)로 분류할 수 있다. 여기에서 Ag/WC 간의 HAB 분율이 높은 결과는 두 상간 의 부정합(incoherent)이 커짐에 따라 WC에 의한 입자 강 화 효과가 크다는 것을 의미할 수 있다. 상기 해석과 그림 6의 결과를 바탕으로 WC-2가 WC-1 보다 입자 강화 효과 가 더욱 크게 작용할 것으로 예측된다. 한편 WC/WC 간 의 HAB 분율이 높게 되면 취성(brittleness)을 유발하고 낮 은 인성의 요인으로 작용할 수 있다. 분석된 결과에서 WC-2는 WC/WC 간의 HAB 분율이 WC-1 보다 높게 나 타남에 따라 이어지는 기계적 특성 결과에서 균열(crack) 과 같은 손상이 더 쉽게 발생할 것으로 예상된다. Ag/Ag 간의 HAB는 입자 크기에 비례하였으며, 이러한 Ag 입내 에의 misorientation 분포 결과는 Ag 결정립(grain) 형성 과 정을 유추할 수 있는 단서가 될 수 있다. 그림 4와 5의 결 과들을 바탕으로 유추해 볼 때, WC-1의 경우 Ag의 용침 시 WC 입자에 의해 간섭을 받게 되며 Ag의 회전과 냉각 이 발생함에 따라 작은 결정립이 형성됨을 추론할 수 있 다. 이에 반해 WC-2의 경우 WC 입자는 용침 시 Ag의 흐 름에 영향을 주지 못하였으며 크고 연속된 Ag 기지를 형 성하는 것으로 판단된다. 이는 WC 입자 크기의 차이에서 비롯된 결과로 작은 입자 크기로 인해 높은 계면 에너지 를 가진 WC-1의 경우 높은 소결 구동력으로 WC 입자 간 의 목(neck) 형성이 빠르게 진행되며 짧은 시간에 다수의 WC 접촉 목들을 형성하게 된다. 형성된 목 부근에서 액 상의 Ag는 와류 현상에 의해 유동에 방해를 받게 되고 이 는 작은 결정립의 형성 결과로 나타날 수 있다. WC-2의 경우 큰 WC 입자 크기를 가지며 낮은 소결 구동력에 의 해 WC 입자 간의 응집을 이루지 못하고 따라서 액상 Ag 의 유동에도 큰 영향을 주지 못한 것으로 사료된다.
Grain boundary length fractions for Ag/WC contact materials as a function of misorientation angle.
그림 7에 Ag-WC 전기 접점 소재들의 압축 시험 결과로 서 응력-변형률 곡선들을 제시하였다. 또한 그 물성 결과 들을 경도 측정 결과와 함께 표 1에 정리하였다. WC-1 소 재의 경우 349.9 MPa의 항복 강도와 144.9 HV 값을 나타 냈으며 WC-2 소재의 경우 280.7 MPa와 129.0 HV 값을 보였다. 기존에 보고된 소결 제조 Ag/WC의 경도값은 약 137.7로 보고되고 있어, WC-1 소재가 더 높은 경도 값을 나타냄을 알 수 있었다[11]. 이는 그림 4의 WC-1 결과에 서 제시된 바와 같이 Ag의 큰 회전에 의해 만들어진 다수 의 결정립으로 인한 Hall-Petch 강화 효과에 기인된 결과 로 설명할 수 있다. 한편 WC-2의 경우 WC-1에 비해 분 산 강화 효과가 큰 것으로 확인되었으나 기계적 특성에서 는 상기 효과가 크게 반영되지 않는 것으로 나타났다.
Compressive stress-strain curves of Ag/WC electrical contact materials.
Hardness and compressive yield strength results measured in this study
그림 8에 압축 시험 후 변형 미세조직을 나타냈다. 그림 8(a1-a2)은 WC-1의 변형 후 미세 조직으로 시편 표면에서 Co3O4를 따라 형성된 균열들(cracks)을 관찰할 수 있었다. 그림 8(b1-b2)는 WC-2의 압축 후 미세 조직으로 Co3O4와 WC간의 계면을 따라 균열이 전파됨을 알 수 있었다. 이 는 그림 6에 나타난 WC/WC 간의 취성 특성이 반영된 것 으로 이해될 수 있다. 또한 WC-2에서 WC 부재 영역이 WC-1 보다 넓은 편이며 일부 영역에서 Co3O4가 집중 분 포되어 나타났으며 이로 인해 경도 편차를 유발했을 것으 로 해석될 수 있다.
Cross-Section observation results after compression tests: (a1-a2) WC-1, (b1-b2) WC-2.
Ag-WC 전기 접점 소재에서는 WC 크기에 따라 동일한 공정 과정을 거쳐 제조된 소재들이라고 하더라도 상이한 미세 조직을 나타낼 수 있다. 일반적으로 소결 구동력은 전체 계의 에너지 감소로 알려져 있으며, 열역학적으로 낮 은 에너지의 안정한 상태를 찾아가려 한다. WC-1 소재의 경우 작은 WC 입자 분포에 의해 Ag 액상의 흐름 과정에 서 WC 입자를 거칠 때 계면 에너지가 크게 증가하게 되 고 WC 입자를 지나며 계면 에너지가 감소한다. 크기가 작은 WC 입자가 다수 분포하고 있는 영역일수록 계면 에 너지의 감소 격차가 커서 소결 구동력은 더 커지게 된다. 이처럼 소결 구동력이 증가하게 되면 작은 입자 간의 목 (neck) 형성 및 응집력을 증가하게 된다. 그 결과 응집된 입자에 의한 고정(pinning) 효과로 인해 용침 시 Ag의 흐 름에 큰 회전을 유도할 수 있으며 이에 결정립의 성장을 억제할 수 있다. WC-2 소재의 경우 상대적으로 큰 WC 입자 크기를 가지며 이는 더 작은 응집성을 유발하게 된 다. 따라서 WC간의 소결 목 형성이 적으며 흩어진 WC 입자는 용침 시 Ag의 흐름 거동에 영향을 덜 미치는 것으 로 사료된다.
4. Conclusion
본 연구에서는 WC 입자 크기를 달리하여 Ag/WC 전기 접점 소재들을 제조하였다. WC 입자 크기 외 다른 모든 공정이 동일하게 진행되어 WC 입자 크기에 대한 영향만 이 고려되었으며 미세조직을 통해 뚜렷한 차이를 확인할 수 있었다. 또한, 제조된 접점 소재들에 대해 전기적∙기계 적 특성에 대해 조사하고 아래의 결론을 얻을 수 있었다.
초기 미세조직 관찰 결과, WC의 평균 입자 크기는 WC-1은 0.27 μm로 WC-2의 경우 0.35 μm로 측정되었다. WC 입자 크기가 작은 경우, 액상 흐름 과정에서 계면 에 너지가 크게 증가하게 되고 계면 에너지의 감소 격차가 커 소결 구동력이 커지게 되며, 그 결과 용침 시 Ag의 흐 름에 큰 회전을 만들어 미세한 결정립을 형성하는 것으로 설명되었다.
전기 전도도 측정 결과 WC-2 소재에서 높은 전기 전도 특성을 얻었으며 이는 Ag 기지의 크고 연속된 분포에 기 인하는 것으로 나타났다. 경도 시험 및 압축 시험 결과에 서 WC-1의 경우는 144.93 HV와 349.9 MPa 값이 측정되 었으며 WC-2는 129.0 HV와 280.7 MPa 값을 나타냈다. 즉 WC-1은 WC-2 보다 높은 기계적 강도 특성을 나타냄을 알 수 있었으며, 이를 결정립계 강화에 의한 효과에 설명 하였다.
Acknowledgement
본 연구는 LT 메탈㈜의 일반 수탁 연구 지원 사업으로 수행되었으며 이에 감사드립니다.
