KR100192001B1

KR100192001B1 - 전극재료와 전극재료 및 저항용접용 전극의 제조방법

Info

Publication number: KR100192001B1
Application number: KR1019950002088A
Authority: KR
Inventors: 문정기
Original assignee: 서상기; 한국기계연구원
Priority date: 1995-02-06
Filing date: 1995-02-06
Publication date: 1999-06-15
Also published as: JPH08332577A; JP2699316B2; US5779825A; KR960031025A; EP0745452A1

Abstract

본 발명은 경금속류의 특수접합용 전극이나 스폿트 저항용접용 전극을 제조하는 소재인 전극재료 및 이 전극재료를 제조하는 방법에 관한 것으로, Cu-Al합금분말을 진공중에서 가열하여 풀림(annealing)열처리를 하는 풀림열처리공정과, 풀림열처리를 행한 상기 Cu-Al합금분말을 400∼500℃의 수소분위기에서 환원처리하여 산화물이 존재하지 아니하는 순수한 Cu-Al합금을 생성하는 전처리 환원공정과, 상기 산화물이 없는 Cu-Al합금을 공기 또는 산소중에서 400∼500℃ 가열하여 표면산화시키는 1단계산화공정과, 1단계산화된 상기 Cu-Al합금분말을 불활성 개스 분위기에서 900∼1000℃로 가열하여 Cu-Al합금분말 내부에 있는 Al이 내부 산화되도록 하는 내부 산화공정과, 내부 산화된 상기 Cu-Al₂O₃합금분말을 수소 분위기에서 환원처리하는 환원공정으로 Cu-Al₂O₃분말 전극재료를 제조하는 방법임.

Description

전극재료와, 전극재료 및 저항용접용 전극의 제조방법

제1도는 폭발 압착장치의 금속분말을 폭약과 함께 장착하고 있는 상태도.

제2도는 폭발 압착장치에 의하여 판상형 전극을 압착 가공하는 과정도.

제3도는 폭발 압착장치에 금속분말을 폭약과 함께 장착하고 있는 상태도.

제4도는 제3도의 A-A선 단면도.

제5도는 폭발압착에 의하여 봉상형 전극을 압착 가공하는 과정도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

12 : 모재 13 : 합금 분말

14, 23 : 분말용기 15 : 이격재

16 : 접합제 17, 27 : 폭약

18, 28 : 뇌관 21 : 폭약용기

22 : 내부튜브 24 : 합금분말

25, 26 : 플러그

본 발명은 경금속류의 특수접합용 전극이나 스폿 저항용 전극을 제조하는 소재인 전극재료 및 이 전극재료를 제조하는 방법에 관한 것이며, 또한 상기 전극재료를 소재로 하여 저함용접용 전극을 제조하는 제조방법에 관한 것이다.

경금속류 및 표면처리 강판류의 특수접합용 전극이나 저항용접용 전극(이하 전극이라 한다)은 그 사용용도의 특수성 때문에, 고온 내열강도, 도전성, 열전도성, 내마모성 등의 특성(전극특성)을 구비하여야 하는 것이며, 이와 같은 전극특성을 구비한 전극을 형성하기 위해서는 전극의 형성소재인 전극재료도 역시 고온내열강도, 도전성, 열전도성 등의 제반특성이 요구될 뿐만 아니라, 동시에 균일한 조직을 가지는 균질성과 여러 가지 우수한 제반 특성을 가지는 전극재료를 사용하여 구비하여야 하는 것으로, 이와 같이 우수한 제반특성을 가지는 전극재료를 사용하여 전극을 형성할 때에만, 비로소 우수한 전극특성을 가지는 전극을 형성할 수 있는 것이며, 이렇게 형성되는 전극을 사용하여 용접작업을 시행함으로써, 피용접물에는 필요한 형태로의 용접가공이 용이하게 되는 것이다.

그리고, 저항용접용 전극은 저항용접을 함에 있어 피용접물에 전류를 전달하는 전기 전도체로서의 기능과 함께 피용접재들을 용융 접합하는 기능을 하게 되는 것으로서, 용접하고자 하는 피용접재의 종류와 용접조건에 따라 이에 맞는 특성을 구비한 전극이 선택되어 사용되어지는 것인 바, 일반적으로 용접상태에서의 전극은 계속적인 높은 온도와 압력을 받기 때문에 특히 고온에 있어 전기 전도성을 만족시키는 전기적 특성과 함께 고온강도가 요구되고 있는 것이며, 이와 같이 고온 고압 조건하에서 장시간 사용되는 저항용접용 전극을 형성하기 위해서는 그 소재금속이 전극재료는 낮은 확산도와 함께 접합 소재와의 융착이 이루어지지 아니하는 특성이 기본적으로 요구되는 것이다.

그러므로, 전기 저항용접 가공방법이 시행되는 초기에는 저항용접용 전극으로서 전기 전도도가 높으며 가공성이나 내식성이 우수한 순동이 주로 사용되어 왔으나, 순동은 기계적 강도가 약한 문제점이 있었다.

순동의 기계적 강도가 약한 문제점을 개선하고자, 구리(Cu)를 기본 금속으로 하여, 크롬(Cr), 지르코늄(Zr), 베릴륨(Be), 규소(Si), 니켈(Ni), 텅스텐(W) 등의 합금원소를 미량 첨가하여 금속상(相)을 분산물질로 이용하고 있는 분산강화합금(分散强化合金)이 전극재료로 개방되어 왔으나, 이러한 것들은 내열강도, 도전성, 열전도성 등 전극에 있어 필수적으로 요구되는 전극특성을 고르게 보유하지 못하고 다만 어느 일부분의 제한된 전극특성만을 보유하는 문제점이 있었다.

예를 들어 분산 강화합금 중 형태 저항용접용 전극재료로 가장 큰 비중을 차지하는 Cu-Cr 합금은 전형적인 주조방법에 의하여 제조되는 것으로, 이러한 전극재료는 2wt% 미만의 미세한 Cr 석출상(析出相)이 Cu 기지 내에 분포되어 강화효과를 나타내는 것으로, 상기 Cu-Cr 합금을 소재료 사용하여 인발, 압연 또는 단조 가공에 의하여 제조되는 전극으로 용접작업을 할 때에는 용접시 발생되는 아크열에 의한 고온화 현상은 Cr 석출상의 조대화 및 Cu 기지상의 성장을 야기함으로써 전극의 열적 안정성 및 나아가서는 재료의 수명을 크게 저하시키고 있는 문제점이 있었다.

이러한 Cu-Cr 합금의 문제점을 개선하기 위한 방안으로서, 산화물 분산상을 함유하는 산화물계 분산강화 구리가 개발되어온 바, 이러한 산화물계 분산강화 구리로는 Cu-Al₂O₃, Cu-SiO₂, Cu-ZrO₂와 같은 것이 있으며, 이중 Al₂O₃가 가장 효과적인 분산강화 물질인 것으로 판명되어, 이러한 Al₂O₃에 의한 분산강화 구리(Cu-Al₂O₃) 재료에 대하여 많은 연구가 진행되어 왔다.

Al₂O₃계 분산 강화 구리(Cu-Al₂O₃)는 분말야금방법과 내부산화공정을 결합한 기술에 의하여 제조되는 것으로, 먼저 Cu-Al 합금을 유도 가열하여 분사(atomization) 공정에 의하여 구형(球形) Cu-Al 합금 분말을 형성하고, 이러한 Cu-Al 분말에 산화제로 작용하는 산화동(Cu₂O) 분말을 혼합하며, Cu₂O가 혼합된 Cu-Al 분말을 산소(O₂)의 양이 적절한 양으로 조절된 산소 가스 분위기에서 내부 산화 처리하여, 선택적으로 산소가 Al 원자와 결합하여 Al₂O₃상을 Cu 분말 내에 형성하도록 되는 것인바, 내부 산화 처리시 Cu₂O 산화제는 Cu와 O₂로 분해되어 Cu-Al 분말로 확산되는데, 이때 산소가스는 원자 상태로 분말 내로 확산하여 Al원자와 반응 결합됨으로써, 산화 알루미늄상(Al₂O₃상)을 Cu분말 내에 형성하여 전극제조의 소재로 활용될 수 있는 Cu-Al₂O₃분말을 생성하게 된다.

이와 같이 제조되는 Al₂O₃계 분산강화 구리(Cu-Al₂O₃)는 탁월한 크리프 저항 특성과 열적 안정성을 보유하며, 이러한 특성이 고온에서도 유지되고, 또한 Cu-Al₂O₃합금은 Al₂O₃분산성이 Cu기지 내에 고용상태로 존재하지 않는다는 열역학적 특성 때문에, 전기전도성 저하 효과도 매우 작다는 점에서 용접용 전극재료로 시도되고 있다.

그러므로, 위와 같은 방법에 의하여 제조되는 분산강화 구리를 소재로 사용하여 전극을 제조하고자 할 때에, 상기 내부 산화 처리된 Cu-Al₂O₃분말은 다시 환원 가스 분위기 하에서 가열하여 분말의 산화피막을 제거하고, 산화피막이 제거된 Cu-Al₂O₃분말을 통상 760℃∼927℃의 온도에서 열간 압출한 후, 다시 인발 또는 단조 가공처리를 하여 필요한 형태(예를 들어, 콘(cone) 형태)의 전근 팁으로 제조하는 것이다.

그러나, 위와 같이 제조되는 Al₂O₃계 분산강화 구리는 Cu-Al 합금분말 내에 산화제인 Cu₂O를 적당량으로 혼합하여 고온 가열하여 내부 산화함에 있어, Cu₂O를 적당량으로 혼합하는 혼입 공정 조정이 어려워 내부 산화의 정도를 조절하기가 매우 어려움으로 산화물의 미세화 및 균일 분산이 이루어지지 아니하게 되는 것이며, 따라서 위와 같은 Cu-Al₂O₃분말을 소재로 사용하여 압출, 인발, 단조 가공에 의하여 전극을 제조할 때에 그 가공성이 불량할 뿐만 아니라 제조되는 전극은 그 조직이 치밀하지 못하고 또한 강도가 떨어지는 것과 같은 이유로, 우수한 전극특성을 균형적으로 구비한 전극을 얻을 수 없다는 문제점이 있었다.

본 발명의 목적은 순수한 Cu-Al 합금분말을 1단계로 표면 산화하고, 2단계로 내부 산화하여 우수한 전극특성을 구비한 전극재료 및 이 전극재료를 제조하는 발명을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 Cu-Al 합금 분말을 1단계 산화처리하고, 2단계로 내부 산화 처리하여 얻어진 Cu-Al₂O₃분말형 전극재료를 수소분위기에서 환원 처리하여 Cu-Al₂O₃표면에 있는 산화물을 제거함으로써 이 전극재료를 소재로 하여 특정 형태의 전극을 성형할 때에 가공성과 접합성을 보다 향상시키도록 하는 전극재료를 제공하는 데 있다.

본 발명에 따른 전극재료는 Cu와 Al합금을 용융하고 분사 가공하여 Cu-Al 합금 분말을 생성하고, 이 Cu-Al 합금 분말을 풀림 열처리와 수소 분위기에서 환원 처리로 산화물을 제거하여 산화물이 없는 순수한 Cu-Al 합금 분말을 형성하며, 이 순수한 Cu-Al 합금 분말의 표면을 1단계 산화시키고, 다시 불활성 가스 분위기에서 고욘 가열하여 Cu-Al 합금 분말의 내부에 있는 A1을 2단계로 내부 산화시켜, Al₂O₃의 양이 균질하게 조절된 Cu-Al₂O₃분말형으로 형성하여 되는 것이며, 이와 같은 방법으로 형성되는 전극재료는 고온 내열강도 도전성, 열전도성 등의 우수한 전극 특성을 구비하게 된다.

이하, 본 발명에 따른 전극재료 및 이 전극재료의 제조방법을 구체적으로 설명하기로 한다.

Cu와 소량의 (0.1∼5wt%)Al 합금을 유도 가열하여 용융하고(용융공정), 이 용융 상태의 Cu-Al 합금을 분사법에 의하여 분사 가공함으로써 Cu-Al 합금 분말을 형성한다(분사공정).

상기에서, Cu-Al 합금을 형성하는 공정에 있어서, 용융공정과 분사공정은 일반적으로 지금까지 알려지고 있는 기술을 응용할 수 있는 것이나, 다만 위와 같은 가공공정에 의하여 생성되는 Cu-Al 합금분말의 표면에 산화물이 존재하는 경우에는 이의 표면 산화물을 제거하여 순수한 Cu-Al 합금 분말을 형성하는 가공을 시행하여야 하는 것이다.

만일, Cu-Al 합금 표면에 산화물이 존재하는 Cu-Al 합금 분말을 사용하여, 이를 다음 공정에서 내부 산화 처리하여 Cu-Al₂O₃분말을 생성하는 과정에서 Cu-Al₂O₃분말 내에 함유되는 Al₂O₃의 함유량을 조정하기 어려울 뿐만 아니라 구리 산화물(CuO, Cu₂O)이 Cu-Al₂O₃분말 내에 함유될 수 있는 것이며, 이와 같이 순수하지 아니한 Cu-Al₂O₃분말을 소재로 하여 저항용접용 전극재료를 만들게 되면, 전극의 전기 전도도가 극히 저하되는 문제점을 유발하게 된다.

따라서, Cu-Al 합금을 분사 처리하여, Cu-Al 합금 분말을 생성할 때에는 반드시 산화물이 포함되지 아니하는 순수한 Cu-Al 합금 분말을 얻도록 하여야 하는 것이며, 만일 생성된 Cu-Al 합금 분말의 표면에 산화물이 존재하는 경우에는 반드시 표면 산화물을 제거하는 가공을 시행하여야 하는 것이다.

위에서, 용융 공정과 분사 공정에 의하여 생성된 Cu-Al 합금 분말 표면에 산화물을 제거하는 하나의 방법으로는 산화물이 존재하는 Cu-Al 합금 분말을 진공 중에서 700∼900℃로 가열하여 풀림 열처리함으로써, Cu-Al 합금 분말입자에 존재하는 내부 응력을 제거하고, 결정 입자를 미세화 함과 동시에 Cu-Al 합금 분말의 표면에 있는 산화피막의 밀집성을 완화시켜 다음의 환원 공정에서 Cu-Al 합금 분말 내에 있는 산화물에 수소(H₂)의 침투가 용이하도록 한 다음(풀림 열처리 공정), 풀림 열처리된 Cu-Al 합금 분말은 400∼500℃의 수소 분위기에서 환원 처리함으로써, 산화물이 전혀 존재하지 아니하는 순수한 Cu-Al 합금 분말을 얻도록 하는 것이다(전단계 환원 공정).

그리고, 용융상태의 Cu-Al 합금을 분사 처리하여, 순수한 Cu-Al 합금 분말을 얻는 다른 하나의 방법으로는, Cu-Al 합금의 분사처리를 무산소 분위기에서 시행하여 Cu-Al 합금 분산의 형성 과정중에 산소(O₂)의 접근을 차단하도록 하여, Cu-Al 합금 분말을 생성하고(무산소 분위기 분사 공정), 무산소 분위기에서 분사공정으로 얻어진 Cu-Al 합금 분말을 진공 중에서 가열하여 풀림 열처리(진공중 풀림 열처리 공정)함으로써, 전단계 환원 공정을 생략하고 곧 바로 순수한 Cu-Al 합금 분말을 얻을 수도 있다.

그러나, 이와 같이 무산소 분위기에서 분사가공하며 또한 진공중에서 풀림 열처리 가공을 하기 위해서는, 무산소 분위기와 진공 분위기를 조성하고, 이 분위기를 계속 유지하기 위한 가공 환경을 조성함에 있어서, 여러 가지 해결하여야 하는 선결 문제가 발생될 수도 있는 것이며, 또한 가공비용의 상승 요인이 발생될 수도 있으므로, 상기된 바와 같은 문제점을 충분히 검토하여, 가공비용의 절감과 가공의 용이성을 가지는 공정을 선택하여 순수한 Cu-Al 합금 분말을 얻도록 해야 한다.

산화물이 제거된 순수한 Cu-Al 합금 분말을 공기 또는 산소 분위기에서 400∼500℃로 가열하면, Cu-Al 합금 분말의 표면 산화가 이루어지며(1단계 산화공정), 1단계 산화처리의 구체적인 실험 데이터를 하나의 예로서 기술하면, 100g의 Cu-Al 합금 분말을 항온조에 넣고, 대기압 상태의 공기 또는 산소 중에서 400∼500℃에서 약 5분 정도 가열하여, 측정한 결과 Cu-Al 합금 분말 표면이 충분히 표면 산화(2Cu+1/2O₂→Cu₂O)가 이루어졌음을 알 수 있었다.

공기 또는 산소 분위기에서 400∼500℃, 바람직하게는 450℃의 온도에서, 산화 영역은 분말 표면의 산화가 분말에 들어있는 모든 Al이 Al₂O₃로 충분히 전환된 후, 피막에 있는 산소의 함량으로 선정하였다. 이 목적을 달성하기 위하여, 산화 시간을 상기된 바와 같이 400∼500℃, 바람직하게는 450℃의 온도에서 분말의 중량 변화에 따른 상응하는 값으로 취하였으며, 약 5분 정도의 시간이 산화된 무게에 해당하는 값(100g, 450℃)에서 가장 적절한 시간으로 확인되었다.

또한, 표면 산화 공정이 완료된 Cu-Al 합금 분말은 다시 아르곤(Ar)이나 헬륨(He)과 같은 불활성 가스 분위기에서 900∼1000℃로 0.5∼1시간 동안 가열함으로써, Cu-Al 합금 분말 내부에 있는 Al이 내부 산화되도록(2단계 내부 산화 공정, Cu₂O→2Cu+1/20₂, 2Al+2/30₂→2Al₂O₃) 함으로써, Al₂O₃의 양이 균질하게 조절되고 또한 Hv(비커스 경도)와 같은 기계적 특성이 향상되어 전극특성이 우수한 Cu-Al₂O₃분말형으로 되는 전극 재료가 형성됨을 실험을 통하여 알 수 있었다(표 1 참조).

재료의 내부 산화라는 것은 석출 경화(precipitated hardening)의 특수한 형태로서 제2상(相) 산화물 입자의 석출에 의하여 경화된 2상 단계를 말한다. 석출 경화 재료의 구조 안정성은 확산도의 크게 따라서 결정된다. 즉, 제2상의 형태로 석출된 산화물 입자의 원소재 사이에서 원자 교환(atomic exchange)에 의하여 구조의 안정성이 결정된다.

구조의 고온 안정성은 경화상(hardening phase)이 고융점 화합물의 원소재의 원자를 포함하지 않은 경우 확실하게 확보될 수 있다. 이 경우에 있어서, 금속의 산화물은 금속 화합물중 가장 높은 융점을 가진다.

고도의 경화상 입자의 분산은 SAP(Sintered Aluminum Products) 형태 재료의 내부 산화물 재료와는 구별되며, 이것은 적은 양의 AlO함유만으로도 높은 강도의 재료를 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 이는 높은 전기 전도성 및 열전도성을 지니고 있어, 높은 순도를 가지는 구리와 유사한 값은 나타낸다.

내부 산화는 금속계 원소재에 포함되어 용해된 산소가 있고, 원재료의 자유 에너지보다 훨씬 높은 산화물의 형성에 필요한 자유 에너지(F)의 절대값을 유지함으로써 일어난다. 또한, 산화반응은 열 손실을 수반한다. 만일, 재료 표면의 산소(O)의 압력이 금속 원소재의 산화물의 해리에 소요되는 압력과 동일하다면 산소가 그냥 재료 내에서 확산된다.

내부 산화에서 일정 온도의 시료표면에 있는 산소의 분압(partial pressure of oxygen:PO)은 다음 반응에서의 평형 상수에 의하여 결정된다.

CuO=2Cu+1/2O

평형 상수 Kp는 다음과 같이 표시된다.

logKp=-ΔF/2.303RT

ΔF는 자유 에너지의 변화이며, 온도 T에서의 반응을 수반하는 CuO와 Cu는 응축된 상태(condensed state)이므로,

Kp=|Po|

(Kp=PCuPo·/PCuO)

이 된다.

산소압력은 일정하고 그 용해도(solvability)는 헨리(henry)의 법칙에 따라 Po에 비례한다. 만일 이 압력이 원소재에 함유되어 있는 AlO나 BeO 등과 같이 분압이 낮은 측이 산화물의 분압보다 낮다면 외부피막은 형성되지 않는다. 내부산화에서 재료의 표면의 산소 압력이 일정하면 시료에 있어서 산소의 용해도는 헨리의 법칙을 따르기 때문에 원소재 내의 O의 용해도가 무시될 정도가 되는 온도에서 산화된다. 이 산화막은 표면이 벗겨지지 않을 만큼 충분한 강도를 갖고 있다.

산화막이 형성된 다음 온도를 올리면 표면에 흡수된 산소는 내부로 확산되고 Al등 산화성이 강한 성분 원자들을 만나게 되고 이것과 반응하여 산화물 분자를 생성하게 되어 결국 내부산화과정이 일어나게 된다.

경화재료의 산화물 입자의 크기는 그 공정의 온도와 산화재(1단계 산화처리 공정에서 형성된 산화물, Oxidizing agent)의 농도에 의존한다.

위와 같이 형성되는 전극재료인 Cu-AlO분말의 표면에 산화물이 존재하는 경우, 이와 같이 산화물이 존재하는 Cu-AlO분말을 이용하여 특정 형상의 전극을 성형할 때에 Cu-AlO분말입자의 표면에 있는 산화물이 금속분말의 입자와 입자 사이의 결합을 방해하기 때문에, Cu-AlO분말을 수소 분위기에서 400∼500℃의 온도로 0.5시간 동안 가열함으로써, Cu-AlO분말의 표면에 있는 산화물을 제거하는 환원처리하고, 계속하여 수소 분위기에서 실온으로 냉각 표면 산화물을 제거한 Cu-AlO분말 전극재료를 형성하며(환원공정), 이 전극재료를 소재로 하여 특정형상의 전극을 성형 가공하고자 할 때에 가공성이 우수하며 조직이 치밀한 전극을 얻을 수 있도록 하는 것이다.

위와 같은 방법에 의해 얻어지는 전극재료를 소재로 사용하여 전극을 제조함에 있어 우수한 전극특성을 고르게 구비한 전극을 얻기 위해서는 어떠한 가공방법을 선택하는지가 매우 중요한 요인이 되는 것이다.

본원 발명의 또 다른 목적은 상기한 바와 같은 제조방법에 의해 생성된 AlO의 양이 균질하게 조절되고, 가공성이 우수한 Cu-AlO분말전극재료를 소재로 사용하여, 이 소재를 폭약의 폭발로 발생하는 충격파에 의해 압착 고형화시키는 폭발 압착 방법으로 전극을 형성함으로써, 이와 같은 방법으로 형성되는 저항용접용 전극을 사용하여 고온 고압 상태 하에서 용접작업을 계속할 때에 낮은 확산도를 유지하면서 피용접재의 용접성(용융 접착성)을 갖는 우수한 전극특성과 강도를 구비한 전극을 얻는 전극의 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.

이하 본 발명의 실시예를 도면과 함께 구체적으로 설명하기로 한다.

본 발명에 있어 Cu-AlO분말을 폭발 가공하는 방법으로는 2가지의 폭발 압착방법이 제안되고 있는바, 하나의 폭발 압착 방법은 폭약의 폭발로 발생하는 충격파에 의해 생기는 높은 에너지를 접합재에 전달하여 모재 내의 분말을 주로 판상으로 평면 압착하는 것이고, 다른 하나의 폭발압착방법은 폭약폭발로 발생하는 충격파에 의해 봉상의 용기내의 분말을 대상으로, 주로 봉상의 전극을 압착 고형화하는 것을 말한다.

제1도 및 제2도에는 Cu-AlO분말을 폭발 압착하여 판상의 전극을 형성하는 과정을 도시하고 있다.

제1도에 도시된 바와 같이 모재(12, base plate) 내에 상기한 바와 같은 방법에 의해 생성된 Cu-AlO분말(13)을 채워 넣은 판상의 분말용기(14)를 설치하고, 분말용기(14) 위에는 일정한 간격을 유지하는 이격재(15)를 배치하여, 접합재(16)를 설치함으로써, 접합재(16)가 소정의 운동에너지를 유지하도록 하여, 모재(12)와 접합재(16)는 일정 간격을 띄운 상태로 대향되는 위치에 각각 설치되게 하며 접합재(16)위에는 분말이나 또는 시트형상의 고성능 폭약(17)을 장착하고, 이 폭약(17)에는 뇌관(18)을 접속하여 폭발준비를 완료한다(폭약장착공정).

제2도에는 폭약 장착 공정이 완료된 폭약 장치(제2도의 (a))의 뇌관(18)이 점화되어, 판상의 전극을 폭발 압착하는 과정을 도시하는 것으로, 뇌관(18)에 의해 한쪽 폭약이 폭발되면, 폭약의 폭발 압력(충격파)에 의하여, 접합재(16)가 모재(12)에 일정 각도로 충돌하여(제2도 (b) 참조), 모재(12)내의 Cu-AlO분말의 입자 사이의 접합이 이루어져 판상의 전극이 형성된다(제2도 (c) 참조).

이 과정이 대단히 고속으로 이루어지기 때문에, 충돌점 부근의 금속은 유동적인 상태로 되며, 충돌점의 전방에 금속 제트 분류가 발생한다.

이러한 제트 분류가 결국은 각 분말입자 경계면의 불순물을 제거하여, 청정 표면이 나타나게 되어, 접합계면 부근에 근접한 부근만 강하게 소성 변형되면서 접합되는 것이며, 이 때 접합계면은 특유한 파상 모양을 나타낸다.

위와 같은 폭발압착 과정에서 폭발압력은 대략 6GPa의 강한 충격파에 의해 평면이 충격 가압되면서 폭발 압착되고, 이 방법에 의해 모노리드(monolithic)한 전극 재료가 얻어졌으며, 버섯 형상의 입자변형은 동적 압축 가압 범위(dynamic compaction regime)의 증거로서, 이것은 각 입자 경계 사이의 접촉부에 흐름의 국지화에 기인한 접합이 이루어졌음을 보여주고 있다.

이렇게 폭발 가압되어 만들어진 전극재료는 시료의 밀도를 수중 평량법(Hydrostatic weighing)에 의해 측정한 결과 순수 구리의 95-98%의 밀도를 갖고 있었다.

제3도 내지 제5도는 Cu-AlO분말을 폭발 압착하여 봉상의 전극을 형성하는 과정을 도시하고 있다.

제3도에 도시된 바와 같이 원통형의 2중 구조를 갖고 있는 폭약용기(21) 내에 내부튜브(22)가 장착되고, 봉상의 분말용기(23) 내에 전극재료인 Cu-AlO분말(23, metal powder)을 충전하여 분말 용기(23)의 양쪽 끝단을 플러그(25, 26)로 밀봉한 다음, 이 분말용기(23)를 내부튜브(22) 안에 일정한 간격을 두고 지지대(29) 위에 설치하며, 상기 내부 튜브(22)와 폭약용기(23)와의 사이에는 폭약(27)이 채워지고, 폭약(27)의 한 쪽 끝단에 뇌관(28)이 장착되어 있다(폭약장착공정).

이와 같이 폭약 장착 공정이 완료되면, 뇌관(28)이 점화되어, 폭약(27)의 한쪽으로부터 폭발이 이루어지면서 충격파가 생성되며, 충격파의 충격 선단이 순간적인 충격속도(폭속)로 내부튜브(22)에 전달된다(폭발압착공정).

이와 같은 폭발의 결과 내부튜브(22)와, 내부튜브(22) 내에 들어있는 Cu-AlO분말이 등축 압축되어, 이에 따른 충격파에 의하여 금속 분말 입자들 사이의 간격이 급속히 감소됨과 동시에 금속 분말 입자 표면에 충격에너지가 급속히 전달된다.

이 반응은 단열반응과 매우 유사하며, 만일 충격에너지의 생성 및 전달과정이 천천히 이루어질 경우에는, 금속 분말 입자의 내부에 주변으로부터 열전달이 생겨, 전극재료는 원래의 성질이 급격히 변화하여, 용융 등의 부정적인 결과가 초래된다.

그리하여 본 발명에 따른 폭발 가공에 있어서는 에너지의 전달 및 금속분말을 통과하는 충격파의 전파가 수μs동안 이루어짐으로써 목적하는 바 우수하 전극재료를 얻을 수 있는 것이다.

그러나 폭발과정에서 발생되는 충격파의 크기는 분말을 결합시키는데 충분한 정도로 선택되어져야 할 것이며, 또한 과도한 용융이나 부수적인 반사에 따른 압착된 성형물의 균열을 초래하지 않을 정도로 높지 않아야 하는 것이다.

실험결과에 의하면 충격파의 전달 폭속은 일반적으로 약 1600m/sec에서 8400m/sec의 범위에서 행해지는 것이며, 바람직하게는 2000∼3000m/sec 범위의 폭속이 최적의 폭속이다.

그리고, 이때 발생되는 폭발 압력의 범위는 5∼500Kbar이며, 바람직하게는 10∼300Kbar이다.

Claims

Cu-Al 합금 분말이 진공중에서 풀림 열처리된 후, 400∼500℃의 수소분위기에서 0.5시간 동안 환원 처리되어 산화물이 없는 Cu-Al₂O₃분말이 생성되고, 산화물이 없는 상기 Cu-Al₂O₃합금 분말이 산소중에서 400∼500℃의 온도로 5분 동안 가열되어 Cu-Al₂O₃합금 분말의 표면이 산화되며, 표면 산화된 상기 Cu-Al₂O₃합금 분말이 불활성 가스 분위기에서 900∼1,000℃의 온도로 0.5∼1시간 동안 가열되어 2차 산화된 후에, 내부 산화된 Cu-Al₂O₃합금 분말이 400∼500℃의 수소 분위기에서 0.5시간 동안 환원 처리됨으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 전극재료.
Cu-Al 합금 분말을 진공중에서 풀림 열처리하는 단계와;풀림 열처리된 Cu-Al 합금 분말을 400∼500℃의 수소분위기에서 0.5시간 동안 환원 처리하여, 산화물이 없는 Cu-Al₂O₃분말을 생성하는 단계와;산화물이 없는 상기 Cu-Al₂O₃합금 분말을 산소중에서 400∼500℃의 온도로 5분 동안 가열하여 Cu-Al₂O₃합금 분말의 표면을 산화시키는 단계와;표면 산화된 상기 Cu-Al₂O₃합금 분말을 불활성 가스 분위기에서 900∼1,000℃의 온도로 0.5∼1시간 동안 가열하여 2차 산화처리 하는 것에 의하여, 내부 산화된 Cu-Al₂O₃합금 분말을 400∼500℃의 수소 분위기에서 0.5시간 동안 환원 처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극재료 제조 방법.
환원 처리된 Cu-Al₂O₃분말을 분말 용기 안에 충전하여, 상기 분말 용기를 모재 안에 설치하고, 이격재를 개재하여 모재와 일정한 간격을 두고 접합재를 장착하며 접합재 위에 폭약과 뇌관을 장전하는 폭약장착공정과;상기 폭약 장착 공정이 완료된 뇌관을 점화하여, 폭약이 한쪽으로부터 폭발되는 것에 의하여, 폭발압력(충격파)에 의해 접합재가 모재에 압착되면서 Cu-Al₂O₃분말이 판상의 전극에 압착 고형화되는 폭발 압착 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 저항용접용 Cu-Al₂O₃분말 전극을 제조하는 방법.
환원 처리된 Cu-Al₂O₃분말을 봉상의 분말 용기 안에 충전하고, 이 분말 용기를 내부 튜브 안에 설치하고 이 내부 튜브와 폭약 용기와의 사이에 폭약과 뇌관을 장전하는 폭약장착공정과;상기 폭약 장착 공정이 완료된 뇌관을 점화하여, 폭약이 한쪽으로부터 폭발되는 것으로, 폭약의 폭발 압력(충격파)에 의해 내부 튜브가 압착되면서, 분말이 봉상의 전극으로 압착 고형화되는 폭발압착공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 저항용접용 Cu-Al₂O₃분말 전극 제조 방법.