전기 접점 재료의 제조 - 리벳, 플레이트, 분말 야금, 내부 산화 및 기타 기법
개요
전기 접점(electrical contacts)은 스위치, 릴레이, 차단기 등 전기 장치에서 필수적인 부품으로, 전류 전달, 아크 방전 억제, 용접 저항성 등의 기능을 수행한다.
이러한 접점의 성능은 재료의 전기 전도성, 열 전도성, 내마모성, 아크 침식 저항성에 크게 의존하며, 이를 최적화하기 위해 다양한 제조 방법이 개발되었다.
주요 재료로는 은(Ag)을 기반으로 한 순은, 합금(예: Ag-Cu, Ag-Ni), 복합재(예: Ag/CdO, Ag/SnO₂, Ag/C)가 사용되며, 환경 규제(예: 카드뮴의 독성)로 인해 Ag/SnO₂나 Ag/LSCO 같은 대체 재료가 부상하고 있다.
제조 방법은 주로 분말 야금(powder metallurgy), 내부 산화(internal oxidation), 리벳(rivet), 플레이트(plate) 형태로 분류되며, 이 외에 용융 주조(melt-cast), 기계 합금화(mechanical alloying) 등의 기법이 보완적으로 적용된다.
리벳(Rivet) 방법
리벳 방법은 접점을 리벳(강철이나 구리 등의 베이스에 고정되는 작은 핀 모양) 형태로 제조하는 기법으로, 저전류(20A 이하) 응용에서 경제적이다.
이 방법은 내부 산화나 분말 야금으로 제조된 와이어나 로드를 절단하고 헤딩(heading)하여 리벳 머리를 형성한 후, 베이스 플레이트나 캐리어에 기계적으로 고정(스테이킹 또는 리벳팅)한다.
과정은 다음과 같다:
(1) 내부 산화 또는 압출된 복합 재료 와이어 생산
(2) 절단 및 헤딩(저변형 비율로 머리 형성)
(3) 베이스에 리벳팅 또는 스테이킹
적용 재료: 순은(Ag 99.95%), Ag-Ni(90/10), Ag/CdO(90/10, 내부 산화), Ag/SnO₂(92/8), Ag/C(2-3 wt% 그래파이트).
Ag/CdO 리벳은 아크 침식 저항성이 우수하며, 자동차 릴레이에 적합하다.
장단점: 형성 용이성, 브레이징 적합성, 저비용 등의 장점이 있다.
단점으로는 고전류(>20A)에서 기계적 고정의 취약성과, 그래파이트 함량이 높을 경우(>3 wt%) 헤딩 시 균열 발생 가능성이 있다.
SEM 분석에 따르면, 내부 산화 Ag/CdO 리벳은 표면 근처에 미세 CdO 입자(직경 1-5 μm)가 분포하여 용접 저항성을 높인다.
응용 예: 마이크로 스위치, 자동차 릴레이, 저전압 차단기.
예를 들어, Ag/Ni 90/10 리벳은 10A 릴레이에서 아크 소호 특성을 발휘한다.
플레이트(Plate) 방법
플레이트 방법은 평판 형태의 접점(스트립 또는 시트)을 제조하며, 클래딩(cladding)이나 도금(plating)을 통해 베이스에 부착한다.
과정:
(1) 내부 산화 또는 압출된 복합 스트립 생산
(2) 순은 또는 Ag 합금 층 클래딩(핫 또는 콜드 롤링)
(3) 용접/브레이징으로 캐리어 부착
이는 리벳과 달리 넓은 접촉 면적을 제공하며, 고전류 응용에 적합하다.
적용 재료: Ag/CdO(클래드 Ag 백킹), Ag/SnO₂(88/12, In₂O₃ 첨가), Ag/Ni, Ag/Pd(30-60 wt%).
전기도금 은 코팅은 비은 접점의 접촉 저항을 줄인다.
장단점: 브레이징 용이성(800°C까지 안정), 부식 저항성 향상, 경제적 프로파일 생산 등의 장점이 있다.
단점으로는 클래딩 과정에서 층간 박리 가능성과 고온 소프트닝(예: Ag/CdO 스트립의 변형)이 있다.
내부 산화 Ag/CdO 플레이트는 산화물 고갈 영역을 피하기 위해 한쪽에 Ag 클래딩을 적용한다.
응용 예: 컨택터, 회로 차단기, 파워 스위치.
Ag/SnO₂ 클래드 플레이트는 DC 스위칭에서 안정적 물질 이동을 보인다.
분말 야금(Powder Metallurgy) 방법
분말 야금은 Ag 분말과 금속/산화물 분말을 혼합, 압축, 소결(sintering)하여 복합 재료를 제조하는 표준 기법이다.
불용성 성분(예: Ni, SnO₂)의 균일 분산이 가능하며, 고밀도 구조를 얻을 수 있다.
과정:
(1) 분말 혼합(드라이 블렌딩 또는 도핑)
(2) 압축(녹색 팁 형성)
(3) 소결(진공 또는 불활성 분위기, 800-900°C)
(4) 핫 압출 또는 PSR(press-sinter-repress)
적용 재료: Ag/Ni(10-40 wt% Ni), Ag/CdO(85/15), Ag/SnO₂(88/12, WO₃/MoO₃ 첨가), Ag/ZnO(90/10), Ag/C(2-6 wt% 그래파이트).
장단점: 고밀도(이론 밀도 99% 이상), 균질 미세구조, 아크 소호 특성 등의 장점이 있다.
단점은 고비용(인듐 첨가 시)과 방향성(압출 방향에 따른 특성 차이)이 있다.
응용 예: 릴레이, 컨택터, 진공 스위치.
Ag/WC(PSI 침투)는 고전압 차단기에 사용된다.
내부 산화(Internal Oxidation) 방법
내부 산화는 Ag 합금을 산소 분위기에서 가열하여 내부에 미세 산화물을 형성하는 기법으로, Ag/CdO나 Ag/SnO₂ 생산에 특화된다.
과정:
(1) Ag-Sn/Cd 합금 용융
(2) 600~800°C 산화
(3) 산화물 석출
(4) 압연 또는 드로잉
적용 재료: Ag/CdO(10-15 wt% CdO), Ag/SnO₂(2-14 wt% SnO₂, In₂O₃ 첨가).
장점: 미세하고 균일한 산화물 분포로 용접 저항성, 아크 저항성 향상.
단점: 인듐 비용 상승, 중심부 산화 불균일, Cd 독성.
응용 예: 파워 스위치, 릴레이.
Ag/SnO₂ POX1(10 wt% SnO₂)은 Cd-free 대체재로, 아크 침식률이 15% 낮다.
추가 제조 방법
용융 주조(Melt-Cast): Ag와 Cu, Ni, Pd 등을 용융 후 주조·압연하는 방식.
기계 합금화(Mechanical Alloying): 고에너지 볼 밀링으로 Ag/LSCO 복합 분말을 제조 후 소결.
이 두 방법은 환경 친화성과 미세구조 제어를 강화한다.
Manufacturing Methods of Electrical Contact Materials
Rivet, Plate, Powder Metallurgy, Internal Oxidation, and Other Techniques
Introduction
Electrical contacts are essential components in switches, relays, and circuit breakers.
They perform functions such as current transmission, arc suppression, and welding resistance.
The performance of these contacts strongly depends on electrical and thermal conductivity, wear resistance, and arc erosion resistance.
To optimize these properties, various manufacturing methods have been developed.
Major materials include silver (Ag), Ag alloys (e.g., Ag-Cu, Ag-Ni), and composites (e.g., Ag/CdO, Ag/SnO₂, Ag/C).
Due to environmental regulations restricting cadmium use, alternative materials such as Ag/SnO₂ and Ag/LSCO have emerged.
Manufacturing techniques are mainly categorized into powder metallurgy, internal oxidation, rivet, and plate methods.
Supplementary processes such as melt-casting and mechanical alloying are also applied.
This document focuses on the four main methods—rivet, plate, powder metallurgy, and internal oxidation—covering their processes, materials, advantages, disadvantages, and applications.
Rivet Method
The rivet method produces contacts in pin form, fixed mechanically onto a metal base such as copper or steel.
It is cost-effective for low-current applications (below 20A).
Wires or rods made via internal oxidation or powder metallurgy are cut, headed, and staked onto the carrier.
Process:
(1) Production of internally oxidized or extruded composite wire
(2) Cutting and heading (forming the head under low deformation ratio)
(3) Riveting or staking onto the base plate
Materials: Pure Ag (99.95%), Ag-Ni(90/10), Ag/CdO(90/10), Ag/SnO₂(92/8), Ag/C(2-3 wt%).
Ag/CdO rivets offer excellent arc erosion resistance and are suitable for automotive relays.
Advantages: Easy forming, good brazing compatibility, and low cost.
Disadvantages: Mechanical weakness under high current (>20A), and cracking during heading if graphite content exceeds 3 wt%.
SEM analysis shows that internally oxidized Ag/CdO rivets have fine CdO particles (1–5 μm) distributed near the surface, improving welding resistance.
Applications: Micro switches, automotive relays, and low-voltage circuit breakers.
For example, Ag/Ni 90/10 rivets exhibit effective arc-quenching properties in 10A relays.
Plate Method
The plate method produces flat contacts (strip or sheet form) that are attached to a base through cladding or plating.
This method provides a larger contact area and is suitable for high-current applications.
Process:
(1) Production of internally oxidized or extruded composite strip
(2) Cladding with pure Ag or Ag alloy layer (hot or cold rolling)
(3) Welding or brazing onto the carrier
Materials: Ag/CdO (clad with Ag backing), Ag/SnO₂(88/12, In₂O₃ added), Ag/Ni, Ag/Pd(30–60 wt%).
Electroplated Ag coating reduces the contact resistance of non-silver contacts.
Advantages: Excellent brazing stability (up to 800°C), improved corrosion resistance, and economical profile production.
Disadvantages: Possible interlayer delamination during cladding and thermal softening of Ag/CdO strips.
Internally oxidized Ag/CdO plates apply Ag cladding on one side to avoid oxide-depleted zones.
Applications: Contactors, circuit breakers, and power switches.
Ag/SnO₂ clad plates show stable material transfer under DC switching conditions.
Powder Metallurgy
Powder metallurgy mixes Ag powder with metallic or oxide powders, compacts, and sinters them into composite materials.
It allows uniform dispersion of insoluble components such as Ni or SnO₂.
Process:
(1) Powder mixing (dry blending or doping)
(2) Compacting (forming green tips)
(3) Sintering (vacuum or inert atmosphere, 800–900°C)
(4) Hot extrusion or PSR (press-sinter-repress)
Materials: Ag/Ni(10–40 wt% Ni), Ag/CdO(85/15), Ag/SnO₂(88/12, WO₃/MoO₃ added), Ag/ZnO(90/10), Ag/C(2–6 wt%).
The particle size of Ag powder (1–10 μm) determines the sintered density.
Advantages: High density (>99% of theoretical), excellent arc-quenching properties, and fibrous microstructure (e.g., Ag/Ni fibers resist up to 100A erosion).
Disadvantages: High cost (especially when indium is added) and anisotropy in mechanical and electrical behavior.
Cr-doped Ag/SnO₂ produced via sol-gel and powder metallurgy shows a 20% improvement in arc erosion resistance.
Applications: Relays, contactors, and vacuum switches.
Ag/WC (via PSI infiltration) is used in high-voltage circuit breakers, achieving a density of 15–17 g/cm³.
Internal Oxidation
Internal oxidation forms fine oxide precipitates within Ag alloys by heating them in an oxygen-rich environment.
It is mainly used for producing Ag/CdO and Ag/SnO₂ materials.
Process:
(1) Melting Ag-Sn/Cd alloy (in vacuum or inert atmosphere)
(2) Heating in oxygen (600–800°C, following parabolic rate law: x² = kₚt)
(3) Oxide precipitation (CdO, SnO₂)
(4) Drawing and rolling
Materials: Ag/CdO(10–15 wt% CdO), Ag/SnO₂(2–14 wt% SnO₂, In₂O₃ added), ARGODUR 32(Ag-0.5 wt% MgO/NiO).
Advantages: Fine and uniform oxide distribution (1–5 μm), enhanced arc and welding resistance, and high-temperature stability (brazing up to 800°C).
Disadvantages: High indium cost, oxide depletion in the core (25% thickness unoxidized), and cadmium toxicity.
Applications: Power switches and relays.
Ag/SnO₂ POX1 (10 wt% SnO₂) is an eco-friendly alternative with 15% lower arc erosion rate compared to Ag/CdO.
Additional Techniques
Melt-Casting: Alloying Ag with Cu, Ni, or Pd, followed by casting, annealing, and rolling.
Materials: AgCu3 (3 wt% Cu), AgPd30.
Advantages: Improved mechanical strength (hardness 80–100 HV).
Disadvantages: Reduced conductivity (AgCu3 ≈ 90% IACS).
Applications: 10A switches.
Mechanical Alloying: High-energy ball milling of Ag with LSCO particles, followed by PSR sintering at 880°C.
Material: Ag/LSCO(12 wt% LSCO).
Advantages: No indium required, high uniformity (density 9.72 g/cm³, resistivity 3.10 μΩ·cm), CdO replacement.
Disadvantages: Risk of contamination.
Compared to conventional powder metallurgy, mechanical alloying provides ~25% better arc resistance.