KR0124483B1

KR0124483B1 - 전극 형성 공정

Info

Publication number: KR0124483B1
Application number: KR1019940009244A
Authority: KR
Inventors: 노부유끼 요시오까; 야스시 노다; 도시마사 후까이; 노부다까 스즈끼
Original assignee: 고지마 게이지; 가부시끼가이샤 메이덴샤
Priority date: 1993-04-30
Filing date: 1994-04-29
Publication date: 1997-12-11
Also published as: DE69411803T2; CN1057633C; EP0622816B1; DE69411803D1; US5489412A; CN1101455A; EP0622816A1

Abstract

진공 차단기로 조립될 전극 형성 공정은, 그 혼합 비율이 50 내지 95wt％의 Ag 분말과 5 내지 50wt％의 Cr 분말을 포함하도록 결정되는 것이 바람직하며, Ag 분말이 격자를 형성하며, Cr 분말이 그 내부에 분포될 수 있는 함유비로 은(Ag) 분말과 크롬(Cr) 분말을 혼합하는 단계, 상기 혼합된 분말을 콤팩트한 몸체로 압축하는 단계, 상기 몸체를 Ag 용융점 근처의 온도에서 소결하는 단계 및 상기 소결된 입자의 밀도를 적어도 90％로 조절하는 단계로 이루어져 있다. 혼합될 Cr 입자의 크기는 150㎛ 이하, 바람직하게는 60㎛ 이하로 정해질 수 있다. 소결 온도는 800 내지 950℃ 사이에서 결정될 수 있다.

Description

전극 형성 공정

제1도는 전극 구조를 나타내는 개략 단면도

제2도는 Cr 함유량과 Ag-Cr 및 Cu-Cr 전극의 접촉 저항간의 관계를 나타내는 그래프.

제3도는 파괴 주파수(breaking frequency)와 Ag-Cr 및 Cu-Cr 전극의 접촉 저항간의 관계를 나타내는 그래프.

제4도는 전류 파괴후 80wt％ Ag-20wt％ Cr 전극의 단면 금속 구조를 나타내는 사진.

제5도는 전류 파괴후 80wt％ Cu-20wt％ Cr 전극의 단면 금속 구조를 나타내는 사진.

제6도는 Cr 함유량과 전극의 파괴 전류간의 관계를 나타내는 그래프.

제7도는 소결후 100㎛ 입자 크기의 Cr을 함유하는 Ag-Cr 전극의 단면 금속 구조를 나타내는 사진.

제8도는 소결후 60㎛ 입자 크기의 Cr을 함유하는 Ag-Cr 전극의 단면 금속 구조를 나타내는 사진.

제9도는 소결후 10㎛ 입자 크기의 Cr을 함유하는 Ag-Cr 전극의 단면 금속 구조를 나타내는 사진.

제10도는 Cr 함유량과 입자 크기가 다양한 Cr을 함유하는 전극의 용융력(welding force)간의 관계를 나타내는 그래프.

제11도는 Cr 입자 크기와 전극의 파괴력간의 관계를 나타내는 그래프.

제12도는 전류 파괴후 10㎛ 입자 크기의 Cr을 함유하는 Ag-Cr 전극의 단면 금속 구조를 나타내는 사진.

제13도는 전류 파괴후 100㎛ 입자 크기의 Cr을 함유하는 Ag-Cr 전극의 단면 금속 구조를 나타내는 사진.

제14도는 전류 파괴후 전극 베이스와 Cu-20wt％ Cr 전극의 전극 표면간의 금속 구조를 비교하는 사진.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1 : 전극 2 : 리드.

본 발명은 일반적으로 진공 차단기 내로 조립될 전극 재료에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 낮은 접촉 저항과 뛰어난 파괴력을 갖는 은(Ag)과 크롬(Cr) 성분으로 구성된 재료에 관한 것이다.

종래에, 구리(Cu)-비스무트(Bi) 합금은 진공 차단기의 전극 재료로 사용되었다. Cu-Bi 전극 재료는 일반적으로 재료의 용융 내력(welding proof)을 증가시키기 위해 기초 금속인 Cu에 대해 1w％ 이하의 Bi를 함유한다. Cu-Bi 합금은 큰 전류를 공급할 수 있는 전극에 적합한 저접촉 저항을 갖는다. 그러나, 상기 재료는 전압 저항과 그 파괴력에 있어서 일부 문제점이 있다.

Cu-Bi 합금에 비해 뛰어난 전압 저항과 파괴력 때문에, 상기 용법을 위한 재료로서 Cr 입자가 Cu 격자구조에 분산되어 있는 구리(Cu)-크롬(Cr) 합금이 이용된다. 그러나, 상기 합금의 접촉 저항은 Cu-Bi 합금의 접촉 저항보다 비교적 높으며, 특히 접촉 저항은 전류가 파괴될 때 크게 증가한다.

더욱이, 은(Ag)을 함유하는 전극 재료도 역시 본 기술 분야에 공지되어 있지만, 그 파괴력이 Cu-Cr 합금 또는 Cu-Bi 합금의 파괴력보다 못하다. 그래서, 은을 함유하는 재료를 적용하는 것은 전류에 의해 빈번하게 파괴되지 않는 스위치용 Ag-WC 합금에 한정되어 있다.

근래에 들어, 진공 차단기의 성능이 향상됨에 따라, Cu-Bi 합금보다 뛰어난 저항과 파괴력을 갖는 저접촉 저항의 전극 재료가 보다 큰 전류 용량을 제공할 수 있는 전극에 보다 크게 요구되고 있다.

그래서 본 발명의 주요한 목적은 높은 파괴력을 갖고 있고, 저접촉 저항과 뛰어난 전압 저항을 갖는 진공 차단기내로 조립될 전극 재료를 제공하는 것이다.

상기 및 다른 목적을 달성하기 위해, 전극을 형성하는 공정은, Ag 분말이 격자를 형성하며, Cr 분말이 그 내부에 분산될 수 있는 함유율로 은(Ag) 분말과 크롬(Cr) 분말을 혼합하는 단계, 상기 혼합된 분말을 콤팩트한 몸체로 압축하는 단계, 상기 몸체를 Ag 용융점 근처의 온도에서 소결하는 단계 및 상기 소결된 입자의 밀도를 적어도 90％로 조절하는 단계를 구비한다.

Ag 분말은 50 내지 95wt％ 사이로 함유될 수 있으며, Cr 분말은 혼합된 분말에서 5 내지 50wt％ 사이에서 함유될 수 있다.

혼합될 Cr 분말의 입자 크기는 150㎛ 이하, 바람직하게 60㎛ 이하로 될 수 있다.

소결 온도는 800 내지 950℃ 사이에서 결정될 수 있다.

본 발명은 이하의 상세한 설명과 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 첨부도면으로부터 보다 완전히 이해 할 수 있다. 그러나, 상기 도면은 본 발명을 특정한 실시예에 한정하려는 것이 아니라, 단지 설명하고 이해하기 위한 것으로 이해하여야 한다.

본 발명에서, 전극의 접촉 저항을 감소시키기 위한 은(Ag) 분말이 Ag-Cr 전극 형성에서 가변적인 조성으로 사용되었다. 전극을 형성하는 공정으로서 분말 야금 즉, 금속 분말을 압축하여 형성한 다음, 소결시키는 공정이 사용되었다. 분말 야금을 이용하는 상기 공정은 제조 비용을 감소시킬 수 있는 기술 분야(일본특허 제1공개(특허되지 않음) 제53-149676)에 공지되어 있다.

[실시예 1]

150㎛ 이하의 입자 크기를 갖는 크롬(Cr) 분말과 80㎛ 이하의 입자 크기를 갖는 Ag 분말은 표 1에 도시한 바와 같이 가변비로 혼합되었다. 상기 혼합된 분말이 다이속으로 채워져 3.5ton/㎠의 압력하에 압축되었다. 다음에, 상기 콤팩트한 몸체가 가열되어 전극용 잉곳(ingot)을 얻기 위해 약 2시간 동안 Ag의 용융점 근처 온도인 950℃에서 진공 상태(5×10^-5)하에 소결되었다. 얻어진 각 잉곳의 밀도가 표 1에 도시되어 있다. 이것과 비교하기 위해, 상술된 공정과 유사한 공정을 사용하여 20％ Cr-80％ Cu가 준비되었다. 표 1은 전극 및 밀도로 사용될 때 콤팩트한 각 몸체의 전도성을 나타낸다.

[표 1]

각 잉곳의 현미경 사진에 따르면 Cr 입자는 Ag 격자에 균일하게 분포되었다.

상기 잉곳은 전극으로 형성된 후, 진공 차단기내로 조립되어 전극의 접촉 저항(제1도를 참조하면, 참조번호 1은 전극을 표시하고, 참조 번호 2는 리드를 표시한다)을 측정하였다. 각 전극의 접촉 저항은 Cu-Cr 전극의 접촉 저항과 비교하여 제2도에 도시되었다. 도면에서, 전류 파괴동안 20KA까지의 최대 접촉 저항값이 도시되었다. Ag-Cr 전극의 접촉 저항은 Cu-Cr 전극의 접촉 저항과 비교하여 효과적으로 감소되었다.

제3도는 80wt％ Ag-20wt％ Cr 전극과 80wt％ Cu-20wt％ Cr 전극의 파괴 주파수와 접촉 저항간의 관계를 도시한 것이다. 파괴 시험은 도면의 수평축에 도시된 조건하에서 실시되었다. 제3도와 관련하여, 80wt％ Ag-20wt％ Cr 전극은 비록 전극 전류가 반복적으로 단락되었을지라도 비교(즉, 80wt％ Cu-20wt％ Cr 전극)의 접촉 저항보다 크게 낮은 접촉 저항을 나타낸다.

제4도는 전류 파괴후 80wt％ Ag-20wt％ Cr 전극의 금속 구조를 도시한 것이고, 제5도는 80wt％ Cu-20wt％ Cr 전극의 금속 구조를 도시한 것이다. 모두는 현미경 사진이다. 제5도에 도시된 바와 같이, Cu-Cr 전극의 표면은 입자 크기가 0.5㎛ 이하인 Cr 입자가 균일하게 분산되어 있는 금속 구조를 갖는 주조층(A)로 덮혀 있다. 이것은 전류 파괴 에너지에 의해 전극이 용융될 때 형성되는 Cu와 Cr을 함유하는 균일한 액상을 바로 냉각시킴으로서 만들어진 듯하다. 그래서, 상기 전극 표면은 Cr이 균일하게 분포되어 있기 때문에 단단하게 경화되었다는 것을 나타낸다. 이것으로 전극의 접촉 저항이 증가하게 된다. 다른 한편, 제4도에 도시된 바와 같이, 주조층(A)이 전극 표면에 인접하여 도시되었을지라도 Ag-Cr 전극은 Cr 입자가 분명하게 분산되었다는 것을 나타내는 층을 가지고 있지 않다. Cr 입자와 Ag 격자는 균일하지 않게 놓여있다. 그래서 Ag-Cr의 접촉 저항 증가가 줄어들 수 있다.

따라서, Ag-Cr 합금은 보다 낮은 접촉 저항을 갖는 전극에 응용하는 것이 바람직하다. 부수적으로, 표 1과 제2도 및 제3도로부터, 50 내지 95wt％의 Ag 함유량과 5 내지 50wt％의 Cr 함유량을 혼합하는 것이 바람직하다.

[실시예 2]

80㎛ 이하의 입자 크기를 갖는 Ag 분말과 150㎛ 이하의 입자 크기를 갖는 Cr 분말이 표 2에 도시한 다양한 함유비로 혼합되었다.

[표 2]

다음에, 혼합된 분말이 다이로 채워져, 직경 85mm 갖는 콤팩트한 몸체를 얻기 위해 3.5ton/㎠으로 압축되었다. 상기 얻어진 몸체는 상술된 실시예 1에 대해 유사한 조건하에서 유사한 공정으로 전극용 잉곳으로 형성되었다. 또한, 각 잉곳의 전도성과 밀도비가 표 2에 도시되었다.

다음에, 각 잉곳은 80mm 직경의 나선형 구조를 갖는 전극으로 형성되어 그 전류 파괴력을 측정하기 위해 진공 차단기 내에 조립되었다. 그 결과가 제6도(100㎛로 가리켜진 곡선)에 도시되었다. 비록 전류 단락이 반복적으로 수행되었을지라도, Ag-Cr 전극의 접촉 저항은 Cu-Cr 전극의 접촉 저항보다 적게 증가한다는 것을 나타낸다. 제7도는 본 실시예의 전극에 대한 금속 구조를 나타내는 현미경 사진이다.

[실시예 3]

80㎛ 이하의 입자 크기를 갖는 Ag 분말과 60㎛ 이하의 입자 크기를 갖는 Cr 분말이 표 3에 도시된 다양한 함유비로 혼합되었다.

[표 3]

다음에, 혼합된 분말이 다이로 채워져, 직경 85mm 갖는 콤팩트한 몸체를 얻기위해 3.5ton/㎠으로 압축되었다. 상기 얻어진 몸체는 상술된 실시예 1과 유사한 조건하에서 유사한 공정으로 전극용 잉곳으로 형성되었다. 또한 각 잉곳의 전도성과 밀도비가 표 3에 도시되었다.

다음에, 상술된 실시예 2와 유사한 조건하에서 유사한 공정으로 전극이 만들어졌다. 그 결과가 제6도(60㎛로 표시된 곡선)에 도시되었다. 비록 전류 단락이 반복적으로 수행되었을지라도 Ag-Cr 전극의 접촉 저항은 Cu-Cr 전극의 접촉 저항보다 적게 증가한다는 것을 나타낸다. 제8도는 본 실시예의 전극에 대한 금속 구조를 나타내는 현미경 사진이다.

[실시예 4]

80㎛ 이하의 입자 크기를 갖는 Ag 분말과 10㎛ 이하의 입자 크기를 갖는 Cr 분말이 표 4에 도시된 다양한 함유비로 혼합되었다.

[표 4]

다음에, 혼합된 분말이 다이로 채워져, 직경 85mm를 갖는 콤팩트한 몸체를 얻기 위해 3.5ton/㎠으로 압축되었다. 상기 얻어진 몸체는 상술된 실시예 1과 유사한 조건하에서 유사한 공정으로 전극용 잉곳으로 형성되었다. 또한, 각 잉곳의 전도성과 밀도비가 표 4에 도시되었다.

다음에, 상술된 실시예 2와 유사한 조건하에서 유사한 공정으로 전극이 만들어졌다. 그 결과가 제6도(10㎛로 표시된 곡선)에 도시되었다. 비록 전류 단락이 반복적으로 수행되었을지라도 Ag-Cr 전극의 접촉 저항은 Cu-Cr 전극의 접촉저항보다 적게 증가한다는 것을 나타낸다. 제9도는 본 실시예의 전극에 대한 금속 구조를 나타내는 현미경 사진이다.

제10도는 상기 3가지 실시예의 전극의 용융력과 그 Cr 함유량간의 관계를 도시한 것이다. 또한, Cu-Cr전극의 용융력을 비교하여 도시하였다.

상기 실시예에 따르면, Ag-Cr 전극은 전류 파괴후 접촉 저항이 보다 적게 증가하는 것을 나타낸다. 더욱이, 전극의 접촉 저항은 내부에 함유된 Cr의 입자 크기에 의존하지 않지만, Cr 함유량이 증가함에 따라 증가된다. 그러나, 전극의 접촉 저항은 전류 파괴에 의해 증가되지 않는다. 게다가, 상기 Ag-Cr 전극은 Cu-Cr로 만들어진 전극에 비해 뛰어난 용융력을 나타낸다.

일반적으로, 보다 작은 Cr의 입자 크기를 갖는 전극의 파괴력은 보다 큰 입자를 갖는 전극의 파괴력보다 우수하다. 만약, Cr 입자 크기가 커진다면, Cr과 Ag 입자의 접촉점에서 발생된 아크가 Cr 입자에 포획되어 유연한 아크 이동을 방해하게 된다. 다른 한편, Cr 입자 크기가 작게 되면, Cr 입자에 아크가 포획되지 않기 때문에 아크가 신속하게 이동될 수 있다. 이로 인해 전류 파괴가 신속하게 수행된다. 제11도는 전극의 파괴력과 Cr 입자 크기간의 관계를 도시한 것이다. 제10도 및 제11도와 관련하여, 전극의 파괴력을 유지하기 위해 60㎛ 이하 크기의 Cr 입자가 바람직하다.

제12도와 제13도는 전류 파괴후 실시예 4와 실시예 2로부터 얻어진 전극의 단면 금속 구조를 도시한 현미경 사진이다. 도면과 관련하여, Cr 입자 크기가 커질 때에 금속 구조가 불균일하게 되어, Cr과 Ag 입자의 접촉 부위가 줄어 든다. 이로 인해, Ag가 부분적으로 증발되거나 또는 전극 표면으로부터 재료가 벗겨져 불균일하게 된다. 다른 한편, Cr 입자 크기가 작아지게 되면, 상술한 임의의 단점이 발생하지 않기 때문에, 전류 파괴후 전극에 인접하는 금속 구조가 균일하게 된다.

제14도는 제11도에 도시된 작은 Cr 입자 크기를 갖는 Ag-Cr 전극과 Cu-Cr 전극의 금속 구조를 비교하여 도시한것이다. 0.5㎛ 이하의 입자 크기를 갖는 Cr 입자가 분포되어 있는 주조층이 Cu-Cr 전극 표면에 인접하여 도시되어 있다. 전류 파괴 에너지에 의해 전극이 용융될 때 Cr 과 Cu 입자가 균일하게 분포되어 있는 액상이 형성된다. 전극 표면에 인접하여 도시된 상기 주조층은 상기 액상을 바로 냉각시킴으로써 형성된 듯하다. 그리하여, 전극의 접촉 저항을 증가시키기 위해 Cr 입자를 균일하게 분산시킴으로써 전극의 경도가 증가한다.

실시예 2 내지 실시예 4에 따르면, 60㎛ 이하의 입자 크기를 갖는 Cr 분말의 5 내지 50wt％와 50 내지 95wt％의 Ag 분말이 진공 차단기의 전극 재료용으로 바람직하게 혼합된다. 상기 혼합된 분말은 콤팩트화되어 Ag의 용융점 근처 온도에서 소결된다. 상기 입자의 밀도는 바람직하게 적어도 90％로 조정된다.

전극 재료의 콤팩트 몸체를 소결하기 위한 온도는 바람직하게 Ag의 용융점 근처인 800 내지 950℃ 사이의 범위로 한정된다. 상기 온도가 800℃를 넘지 않을 때, 콤팩트 몸체의 소결은 진행될 수 없다. 다른 한편, 상기 온도가 950℃를 넘을 때, 전극의 부분적인 용융 혹은 그 표면의 변형(즉, 기포)이 유발되는 경향이 있다.

전극 밀도가 90％를 넘지 않을때에 전극의 전도성이 떨어지기 때문에 전극 밀도는 90％ 이상이어야 한다. 더욱이, 그 소결이 충분하지 않게 된다. 이로 인해 전극 강도가 떨어지게 된다.

그래서, Ag 분말과 Cr 분말의 비율, 소결 온도 및 전극 밀도가 명시되기 때문에, Cu-Cr 전극을 사용하는 것보다 낮은 접촉 저항을 갖는 진공 차단기가 얻어지며, 전류 파괴가 반복적으로 이루어질지라도 전극의 접촉 저항은 증가하지 않게 된다.

더욱이, 본 발명의 전극은 Ag-WC 전극보다 뛰어난 우수한 파괴력과 Cu-Cr 전극과 비교하여 낮은 접촉 저항을 나타낸다.

게다가, 본 발명의 전극은 우수한 용융력을 나타내며, 가해진 트리핑력(tripping force)이 줄어들기 때문에 진공 차단기로 조립될 브레이커(breaker)의 크기가 감소될 수 있다. 그래서, 비록 전극용으로 비교적 비싼 재료로 알려져 있는 Ag가 사용될지라도 낮은 비용으로 상기 브레이커가 제공될 수 있다.

더욱이, 진공 차단기가 Cu-Cr 전극으로 만들어질 때, 종래에 일차 전도체가 진공 차단기의 큰 공간을 차지하며, 우수한 열 복사를 갖는 핀이 필요하다. 이로 인해, 진공 차단기의 크기가 커지게 되며, 그것을 형성하기 위한 비용도 증가하게 된다. 그러나, 진공 차단기가 본 발명의 전극 재료로 만들어질 때에 이와 같은 문제점이 해결될 수 있다.

비록 본 발명의 이해를 돕기 위해 본 발명이 바람직한 실시예로서 설명되었을지라도, 본 발명의 원리를 벗어나지 않고 여러가지 방법으로 본 발명이 실시될 수 있다는 것을 알아야 한다. 그래서, 본 발명은 첨부하는 특허청구의 범위에 청구된 바와 같이 본 발명의 원리를 벗어나지 않고 실시될 수 있는 도시된 실시예에 대해 가능한 모든 실시예와 변형을 포괄하는 것으로 이해되어야 한다.

Claims

전극을 형성하는 공정에 있어서, 은(Ag) 분말이 격자를 형성하며, 크롬(Cr) 분말이 그 내부에 분산될 수 있는 함유율로 Ag 분말과 Cr 분말을 혼합하는 단계, 상기 혼합된 분말을 콤팩트한 몸체로 압축하는 단계, 상기 몸체를 Ag 용융점 근처의 온도에서 소결하는 단계, 및 상기 소결된 입자의 밀도를 적어도 90％로 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 형성 공정.
제1항에 있어서, 상기 Ag 분말은 50 내지 95wt％ 사이로 함유되어 있으며, 상기 Cr 분말은 5 내지 50wt％ 사이로 함유되어 있는 것을 특징으로 하는 전극 형성 공정.
제1항에 있어서, 혼합될 상기 Cr 분말의 입자 크기는 150㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 전극 형성 공정.
제 1항에 있어서, 혼합될 상기 Cr 분말의 입자 크기는 60㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 전극 형성 공정.
제 1항에 있어서, 상기 온도는 800 내지 950℃ 사이에서 결정되는 것을 특징으로 하는 전극 형성 공정.
전극 형성 공정에 있어서, 50 내지 95wt％의 은(Ag) 분말과 5 내지 50wt％의 크롬(Cr) 분말을 혼합하는 단계, 상기 혼합된 분말을 콤팩트한 몸체로 압축하는 단계, 상기 몸체를 Ag 용융점 근처의 온도에서 소결하는 단계, 및 상기 소결된 입자의 밀도를 적어도 90％로 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 형성 공정.
제6항에 있어서, 혼합될 상기 Cr 분말은 150㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 전극 형성 공정.
제6항에 있어서, 혼합될 상기 Cr 분말은 60㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 전극 형성 공정.