KR100199429B1 - 진공 차단기용 접점 재료 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

적어도 Cu를 호함하는 전도성 성분, 및 W, Zr, Hf, V 및 Ti의 카바이드(carbide)로 구성되는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 내아크 성분(arc-proof component)을 포함하는 진공 차단기(vacuum interrupter)용 접점 재료 (contact material). 접점 재료에서의 전도성 성분의 양은 40-50%이고, 접점 재료에서의 내아크 성분의 양은 50-60%이며, 내아크 성분의 입자 크기(grain size)는 3㎛ 이하이다. 전도성 성분에 녹아 있는 Co, Fe 및 Ni로 구성되는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 소결 활성제(sintering activator)의 총량은 전도성 성분의 0.1%이하이다.

Description

진공 차단기용 접점 재료 및 그 제조 방법
본 발명은 진공 차단기용 접점 재료 (a contact material for a vacuum interrupter) 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 진공 차단기의 고전류 차단 특성(high current-interrupting characteristic), 전류 쵸핑 특성( current chopping characteristic) 및 고전류 전달 특성 (high current-carrying characteristic)을 향상시킬 수 있는 진공 차단기용 접점 재료 및 진공 차단기용 접점 재료의 제조 방법에 관한 것이다.
진공에서의 아크 확산(arc diffusion)을 사용하여 고진공에서 전류의 차단(breaking)을 야기하는 진공차단기의 접점부(contacts)는 서로 대면하여 하나는 고정되어 있고 다른 하나는 움직이는 2개의 접점부로 구성되어 있다. 이 진공 차단기를 사용하여 전기 모터 부하 등의 유도성 회로의 전류를 차단할 때 종종 과도한 이상 서지 전압(excessive abnormal surge voltage)의 발생으로 부하장치가 손상될 염려가 있다.
이러한 이상 서지 전압의 발생원인으로는, 예를 들어 진공에서의 소 전류의 차단 동안에 발생하는 쵸핑 현상(chopping phenomeon)(AC 전류 파형의 자연 제로점(natral zero point)를 기다리지 않고 전류를 강제적으로 차단하는 현상) 또는 고주파 아크 소멸 현상(high-frequency arc-extinguishing phenmenon) 등이 있다. 쵸핑 현상으로 인한 이상 서지 전압의 값 Vs는 Zo·Ic로 표시되며, 여기서 Zo는 회로의 서지 임피던스이고, Ic는 전류 쵸핑 값이다. 따라서, 이상 서지 전압 Vs를 감소시키기 위해서는, 전류 쵸핑값 Ic를 저감시켜야만 한다.
저전류 쵸핑 특성을 갖는 점점부로서는, 용융법 (melting method)에 의해 제조되는 Cu-Bi 합금 접점부 및 소결 침투법(sintered infiltration method)에 의해 제조되는 Ag-Wcgkqrma 접점부 등이 있다.
흔히 알려져 있는 Ag-Wc 합금 접점부는 다음과 같이 우수한 저 쵸핑 전류 특성(low chopping current characteristics)을 나타낸다:
(1) WC의 존재는 전자 방출을 돕는다;
(2) 전계 방출된 전자들의 충돌로 인한 전극 표면의 가열에 따라 접점 재료의 증발(evaporation)이 가속화된다.
(3) 접점 재료의 카바이드는 아크에 의해 분해되어 대전체(charged body)를 형성함으로써 아크를 연결시킨다.
이 합금 접점부를 사용하는 진공 스위치가 개발되어 실제로 사용되고 있다.
또한 이들 합금에 Cu를 배합한 Ag-Cu-WC 합금이 제안되어 있으며 (일본 특공소 63-59212), 여기서 Ag와 Cu의 비는 약 7:3이다. 이들 합금들에서 종래 기술에 존재 하지 않는 Ag와 Cu의 비가 선택되기 때문에, 이들 합금 접점부들은 안정된 전류 쵸핑 특성을 나타낸다.
또한 일본 특공평5-6138에서는 저 쵸핑 전류 특성을 개선하는데 내아크 물질의 입자 크기(예를 들면, WC의 입자 크기)를 0.2-1㎛로 하는 것이 효과적이라고 제안되어 있다.
반면에, Cu-Bi 합금 접점부의 경우, 전류 쵸핑 특성은 Bi를 선택적으로 증발(selctive vaporization) 시킴으로써 개선된다. 이들 합금 중에서, Bi가 10중량 퍼센트(이후 부터는 wt%라고 함) 포함되어 있는 합금(일본 특공소35-14974)은 저 전류 특성을 나타내는데, 그 이유는 그것이 적당한 증기압(vapor pressure)을 가지기 때문이다. 또한, Bi가 0.5wt% 포함되어 있는 합금(일본 특공소41-12131)에서는 Bi는 결정입자 경계에 편석(segregation) 되어 잇다. 그 결과, 합금 자체를 약화시켜 이 합금은 저용접 분리력(low welding separation force)을 달성하며 따라서 우수한 대전력 차단 특성을 갖는다.
그러나, 진공 회로 차단기(vacuum circuit breaker)는 그 원래의 역할이 대전류 차단을 수행하는 것이다. 이 대전류 차단을 위해서는, 아크를 접점 재료의 전 표면상에서 점화함으로써 접점 재료의 단위 표면적당 열입력(thermal input per unit surface area)을 저감시키는 것이 중요하다. 이를 위한 수단으로서는, 접점 재료이 실장되는 전극부에서 자계가 전극간 전계에 대해 평행하게 발생되도록 하는 축방향 자계 합성(axial magnetic field composition)이 있다. 일본 특공소 54-22813에 따르면, 이러한 방향으로 자계를 적절하게 발생시킴으로써, 아크 플라즈마를 접점 표면상에 균일하게 분포시키는 것이 가능하다. 그 결과, 대전류 차단 성능을 향상시키는 것이 가능하게 된다.
또한 접점 재료 자체에 관해서는 일본 특공평 4-206121 에 따르면, 아크 음극점(arc cathode points)의 이동도(mobility)가 Ag-Cu-WC-Co 합금 접점 재료에서 WC-Co 입자간 거리를 약 0.3-3㎛로 함으로써 개선될수 있으며, 따라서 대전류 차단 특성을 향상시키게 된다. 또한, C0등의 철족(Iron Group) 보조 성분들의 함량을 증가시킴으로써 전류 차단 성능을 향상시킬 수 있다.
진공 회로 차단기에서는 저 서지 특성이 요구되며, 그 결과 상기한 바와 같이 종래에는 저 쵸핑 전류 특성이 요구 되었다. 그러나, 최근에는 진공차단기를 대용량 전기모터 등의 유도형 회로들에 적용하는 일이 늘어나고 있다.
또한 고 서지 임피던스 부하들(high surge impedance loads)도 등장하였다. 그러므로, 진공 차단기의 경우, 보다 더 안정된 저 쵸핑 특성을 갖는 것이 바람직하며, 대전류 차단 특성도 가져야만 한다.
그러나, 10wt%의 Bi와 Cu가 포함되어 있는 합금(일본 특공소35-14974)의 경우에, 스위칭의 횟수가 증가함에 따라 전극 공간(electrode space)에 금속 증기(metal vapor)의 공급이 감소되고, 그 결과 저 쵸핑 전류 특성이 열화된다. 고증기압 원소들(high vapor pressure elements)의 양에 따라 내전압 특성(withstand- voltage characteristic)의 열화도 나타난다.
0.5wt%의 Bi와 Cu를 포함하고 있는 합금 (일본 특공소 41-12131)의 경우에, 저 쵸핑 전류 특성은 불충분하다. 이와 같이, 고증기압 성분들의 선택적인 증발에 의한 것으로는 안정된 저 쵸핑 전류 특성을 얻는 것이 불가능하다. 전도성 성분으로서 Ag-WC-Co합금 등과 같이 Ag를 포함하는 접점 재료의 경우에, 비록 이들이 비교적 우수한 쵸핑 특성을 나타내기는 하지만, 증기압이 지나치기 때문에 충분한 전류 차단 특성을 얻을 수 없다.
또한, 주성분으로서 Ag와 Cu가 중량비가 약 7:3(일본 특공소 63-59212)인 Ag-Cu-WC 합금, 또는 이들 합금들 중에서 WC 등과 같은 내아크 성분의 입자 크기가 0.2-1㎛인 합금(일본 특공평 5-61338)등과 같이 Ag를 갖는 전도성 성분을 갖는 접점 재료에서는, 비록 이들이 비교적 우수한 쵸핑 특성 및 전류 차단 특성을 나타내지만, 이들 접점부들은 전도성 성분으로서 고가의 Ag를 포함하기 때문에, 이들 접점부의 단가가 바싸지게 된다. 또한 이들 접점 재료의 Co 함량을 증가시킴으로써 전류 차단 성능을 향상시키도록 하는 경우에는, Co 함량의 증가로 인해 저 쵸핑 전류 특성이 나빠진다.
반면에 전도성을 물질로서 비싸지 않은 Cu를 사용하는 경우에는, 전류 차단 성능은 비교적 양호하게 되지만, 내아크 성분을 증가시키지 않으면 양호한 쵸핑 전류 특성을 얻을 수 없다. 예를 들어, Cu-WC-Co 합금의 경우에, WC 스켈러튼(skeleton)의 소결 동안에 Co를 첨가하면 WC 스켈러튼의 기공도(porosity)가 감소되어, 보이드(voids)에 침투할 수 있는 Cu의 양이 억압된다.
그러나, WC 등의 카바이드용 Co, Fe 및 Ni 등의 소결 활성제는 Cu의 전도성을 떨어뜨린다. 따라서, 전류 전달 특성이 크게 손상된다.
따라서, 본 발명의 한 목적은 고전류 차단 특성, 저전류 쵸핑 특성 및 고전류 전달 특성을 나타낼 수 있는 진공 차단기용 저가의 접점 재료을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 고전류 차단 특성, 저전류 쵸핑 특성 및 고전류 전달 특성을 나타낼 수 있는 진공 차단기용 저가의 접점 재료을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 이들 및 다른 목적들은 적어도 Cu를 포함하는 전도성 성분, 및 W, Zr, Hf, V 및 Ti의 카바이드(carbide)로 구성되는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 내아크 성분(arc-proof component)을 포함하는 진공 차단기(vacuum interrupter)용 접점 재료(contact material)를 제공함으로써 달성될 수 있다. 접점 재료에서의 전도성 성분의 양은 40-50%이고, 접점 재료에서의 내아크 성분의 양은 50-60%이며, 내아크 성분의 입자 크기(grain size)는 3㎛ 이하이다. 전도성 성분에 녹아 있는 Co, Fe 및 Ni로 구성되는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 소결 가속화 원소(sintering acceleration elemlent)의 총량은 전도성 성분의 양의 0.1% 이하이다.
본 발명의 한 측면에 따르면, 혼합된 분말을 얻기 위해 제1입자 크기의 내아크 성분 분말과 제2입자 크기의 전도성 성분 분말을 혼합하는 단계; 제1 및 제2입자 크기 보다 더 큰 제3 입자 크기의 입상화된 분말(granulated powder)을 얻기 위해 상기 혼합된 분말을 입상화 (granulate)하는 단계; 40-50 체적%의 가공도의 보이드(voids)를 갖는 내아크 성분 스켈러튼을 얻기 위해 상기 입상화된 분말을 성형(mold)하여 소결(sinter)하는 단계; 및 접점 재료를 얻기 위해 내아크 성분 스켈러튼의 보이드로 전도성 물질을 침투시키는 단계, 등의 단계들을 포함하는 진공 차단기용 접점 재료를 제조하는 방법이 제공된다.
일반적으로, 접점 재료의 전류 쵸핑 특성은 전도성 성분의 이온 발생 특성, 내아크 성분의 열전다 방출 특성 및 내아크 성분의 양에 의해 결정된다. 전도성 성분의 증기압이 높을수록, 이온 발생 특성은 더욱 증가하지만, 이와는 반대로 전류 차단 성능은 더욱 낮아진다. 결과적으로, 비교적 우수한 전류 차단 성능을 나타내기 위해서는, 전도성 성분이 Ag 기재(base) 보다는 Cu기재를 갖는 것이 바람직하다. Cu가 전도성 성분으로서 사용될 때에는, Cu의 단가가 낮기 때문에 저단가의 접점 재료를 얻을 수 있다. 그러나, 전도성 성분이 Cu기재인 경우에는 내아크 성분으로서 WC보다 높거나 같은 열전자 방출 특성을 갖는 카바이드를 선택하여 양호한 전류 차단 특성을 갖도록 내아크 성분의 양을 증가시키는 것이 요구된다.
Ag-WC-Co등의 Ag 기재 접점부의 경우에, WC 스켈러튼의 소결 밀도는 Co의 소결 활성 작용에 의해 증가 된다. 스켈러튼 보이드(skeleton voids)가 감소되고, 따라서 보이드에 침투되는 전도성 성분의 양을 감소시키는 것이 가능하다. 그 결과, 내아크 성분의 양이 증가한다. 그러나, 전도성 성분이 Cu 기재로 되어 있을 때에는 , Co, Fe 또는 Ni 등의 소결 활성제는 Cu 중에 용융되어 접점 재료의 전도성을 떨어뜨린다. 따라서, 전류 전달 성능은 크게 손상된다. 또한 Co는 내아크 성분의 입자들의 표면을 덮게 된다. 그 결과, 내아크 성분으로부터의 열전자 방출이 방해됨으로써 접점 재료의 쵸핑 특성을 열화 시키게 된다.
본 발명에서는 전류 전달 성능 및 쵸핑 특성의 상기 저하를 방지하기 위하여 소결 활성제를 사용하지 않으므로 내아크 성분 스켈러튼의 밀도가 증가된다. 통상 카바이드 분말이 거칠수록, 성형 밀도를 더 용이하게 증가시킬 수 있다. 그러나, 카바이드 분말의 입자 크기가 클 때에는, 쵸핑 특성의 불균일(randomness)이 크게 된다. 따라서, 안정된 저 쵸핑 특성을 얻으려고 할 때에는, 미세 입자 크기(fine grain size)를 갖는 카바이드 분말을 사용할 필요가 있다. 이 미세 카바이드 분말의 성형성(moldability)을 향상시키기 위해, 분말을 입상화하는 것이 효과적이다. 이 입상화의 효과는 분말의 탭-밀도(tap- density)가 증가되고, 동일 성형 압력에 대해서 극한 밀도(ultimate density)를 증가시키는 것이 가능하다.
쵸핑 특성을 향상시키기 위해서는 적정량의 고증기압 성분을 첨가하는 것이 효과적이다. 고증기압 성분으로서는, Bi가 대표적인 원소이다. 그러나 Bi가 접점 재료에 포함되어 있는 경우에는, Bi의 선택적 증발은 전류 차단 특성의 상당한 감소, 진공 차단기를 사용하는 시간의 증가에 따라 전류 쵸핑 특성의 열화, 및 접점 재료의 제조 동안에 진공 장치에 Bi의 증착 등의 여러 가지 역효과를 야기한다.
반면에, Te는 Cu보다 훨씬 높은 증기압을 가지지만, Te는 Cu와 금속간 화합물(intermetallic compound)을 만들며, 따라서 Te의 적당한 값으로의 선택적 증발을 제어할수 있다. 또한, Cu보다 더 높은 증기압을 갖는 Ag 등의 원소를 접점 재료에 사용하는 것이 효과적이다.
제1도는 본 발명의 일실시예에 따른 진공 차단기용 접점재료가 적용된 진공 차단기의 일례의 단면도.
제2도는 제1도에 도시된 진공 차단기의 전극부의 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 차단실 2 : 절연 용기
3a, 3b : 금속 시일 4a, 4b : 금속 커버
5, 6 : 전도성 로드 7, 8 : 전극
9 : 벨로즈
본 발명 및 본 발명의 여러 가지 부수적인 잇점들은 첨부된 도면과 관련한 이하의 상세한 설명으로부터 보다 완벽하게 이해될 것이다.
도면에서 동일 참조번호는 동일 또는 대응 부분을 표시한다.
본 발명의 실시예들을 이하에 기술한다.
먼저, 본 발명의 일실시예에 따른 진공 차단기용 접점재료가 적용된 진공 차단기를 도면을 참조하여 설명한다.
제1도는 본 실시예를 설명하기 위한 진공 차단기의 단면도이다. 제2도는 제1도의 전극부의 단면도이다.
제1도에서, 차단실 (breaking chamber; 1)은 기밀된 상태로(in an airtight manner) 절연 물질로 거의 원통형으로 형성된 절연 용기(insulated vessel; 2)와 금속 시일 (metal seal; 3a, 3b)을 각각 통해 그 양단에 제공된 금속 커버 (metal cover; 4a, 4b)를 구비하고 있다.
차단실(1)에서, 전극쌍 (7,8)은 서로 대면하고 있는 전도성 로드(conductive rod; 5, 6)의 양단에 각각 장착되어 있다. 상부 전극(7)은 고정 전극이고, 하부 전극(8)은 가동 전극이다. 또한, 벨로즈(bellows;9)는 전극(8)의 전도성 로드(6)에 고착되어 있어 전극(8)이 축방향으로 이동될수 있도록 해주며 차단실(1)의 내부의 기밀을 유지해준다. 또한 금속 아크 실드(metal arc shield; 10)는 벨로즈(9)의 상부에 고착되어 벨로즈(9)가 아크 증기로 덮이지 않도록 해준다. 또한 아크 실드(11)는 차단실(1)내에 고착되어 있다. 따라서 아크 실드는 전극 (7,9)을 덮게 된다. 이에 의해 절연 용기(2)는 아크 증기로 덮이지 않게 된다.
또한 제2도에 확대 도시되어 있는 바와 같이 전극(8)은 납땜부 (brazed part; 12)에 의해 고정되거나 또는 전도성 로드(6)에 코오킹(caulk)함으로써 압입(press-fitted)되어 있다. 접점부(13a)는 전극(8)에 납땜(14)에 의해 고착되어 있다. 또한 접점부(13a)는 전극(7)에 납땜에 의해 고착되어 있다. 여기서, 접점부(13a,13b)는 각각 본 발명의 일실시예에 따른 진공 차단기용 접점 재료로 만들어져 있다.
다음에, 본 발명의 실시예를 설명하기 위하여 데이타를 얻은 평가 방법 및 평가 조건들을 설명한다. 여기서, 표 1은 여러 가지 접점 재료들에 대한 제조 조건들을 나타낸다. 표 2는 여러 가지 접점 재료들의 조성 및 특성을 나타낸다.
(1) 전류 쵸핑 특성
여러 가지 접점부들이 고착된 10-5Pa 이하로 배기(exhaust)된 녹-다운 타입 차단기들(knock-down type interrupter)을 제조하였다. 이들 장치에서 작은 지연 전류들이 0.8m/sec 의 전극 개방 속도로 전극들을 각각 개방 (open)함으로써 차단될 때 쵸핑 전류를 측정하였다. 여기서, 차단 전류(breaking current)는 20A(유효값), 50Hz이 었다. 개방 전극 위상 (open electrode phase)은 무작위로 수행 하였다. (performed at random). 500회 차단한 후의 쵸핑 전류는 3개의 접점부마다 측정하였다. 3개의 접점부 각각의 최대값은 표 2에 나타내었다. 숫자값은 예 2의 쵸핑 전류값의 최대값을 1.0으로 할 때의 상대 값으로 나타내었다. 접점 샘플의 상대값이 2.0 이하일 때, 접점 샘플은 양호한 전류 쵸핑 특성을 나타내는 것으로 판단한다.
(2) 전류 - 전달 특성
진공 차단기의 온도가 일정하게 될 때까지 그 다음에 진공 차단기에 계속하여 1000A의 전류가 흐르게 하였다. 전류-전달 특성은 그 다음에 온도 상승값으로 평가하였다.표2의 전류 - 전달 특성은 예2의 온도 상승값을 1.0으로 할 때 상대값을 나타낸다. 접점 샘플의 상대값이 2.0 이하일 때, 접점 샘플은 양호한 전류 - 전달 특성을 나타내는 것으로 판단한다.
(3) 대전류 - 차단 특성
차단 테스트는 JEC 사양의 5번 테스트를 사용하여 행하였으며, 전류 -차단 특성은 이 테스트에 의해 평가하였다.
먼저, 접점 재료의 테스트 샘플에 대한 제조 방법을 설명한다. 테스트 샘플은 예 1-18 및 비교예 1-13로 제조한 접점 재료이다. 이 테스트 샘플은 다음의 9개의 그룹으로 분류 된다.
그룹 1 : 예 1-3 및 비교예 1,2
그룹 2 : 예 4, 5 및 비교예 3
그룹 3 : 예 6 및 비교예 4-7
그룹 4 : 예 7-9 및 비교예 8
그룹 5 : 예 10-12 및 비교예 9
그룹 6 : 예 13-14 및 비교예 10, 11
그룹 7 : 예 15-1 및 비교예 12
그룹 8 : 예 17 및 비교예 13
그룹 9 : 예 18
첫째로, 그룹 3과 6을 제외한 모든 그룹의 테스트 샘플에 대한 제조 방법들을 설명한다. 이들 접점 재료에서, WC를 내아크 성분으로 한다.
제조 이전에, 내아크 성분 WC 와 전도성 성분 Cu는 요구되는 입자 크기로 분류한다. 분류 작업은 예를 들면 선별 및 침강법(screening and sedimentation method)을 혼합 사용하여 규정한 입자 크기의 WC 와 Cu의 분말을 쉽게 얻을 수 있다. 먼저, 0.7㎛ 등의 규정한 입자 크기의 WC의 규정한 양과, 45μ등의 규정한 입자 크기의 Cu의 규정한 양을 준비한다. 그 다음에 이들을 서로 혼합하고 규정한 입자 크기, 예를 들어 0.1-1mm의 2차 입자들로 입상화(granulate)한다.
이하의 방법은 그룹 9의 접점 재료를 제외하고는 입상화 방법에 사용된다. 혼합한 분말은 규정한 압력, 예를 들어 8톤으로 가압한 다음에 분쇄한다. 이가압/분쇄 프로세스를 규정한 시간동안 계속하여 입상화된 2차 입자를 얻게 된다. 그룹 9의 접점 재료에 대해서는 혼합된 분말을 스프레이 드라이어(spray drier)를 사용하여 입상화된다.
그 다음에, 이들 2차 입자들은 콤펙트(compact)를 얻기 위해 4톤의 최종 성형 압력으로 가압 성형(press mold)한다.
그 다음에 이 콤펙트는 규정한 시간 동안 규정한 온도에서, 예를 들면 1150℃, 1시간의 조건하에서 예비 소결(presinter)하여 예비 소결체(presintered body)를 얻는다.
인곳(ingot)은 1.3x 10-2Pa의 진공에서 규정한 온도에서 규정한 비율로 혼합한 침투 물질을 진공 용융(vacuum melting) 시킴으로써 얻어진다. Cu 등의 침투 물질은 인곳을 절단(cut)함으로써 얻언진다.
그 다음에, 그룹 1 및 2에 대해서는 Cu; 그룹 4에 대해서는 Cu-Ag 합금; 그룹 5에 대해서는 Cu-Te합금; 및 그룹7-9에 대해서는 Cu가 각각 예비 소결체에 남아 있는 에어 보이드(air void)내로 1150℃에서 1시간 동안 침투되어 Cu-WC합금 등의 규정한 합금을 얻게 된다.
접점 재료의 테스트 샘플은 이미 설명한 바와 같이 제조한 합금을 사용하여 만든다.
둘째로, 그룹 3의 테스트 샘플에 대한 제조 방법을 설명한다. WC와 Cu의 분말은 상기한 방법과 동일한 방식으로 준비한다. 그 다음에 규정한 입자 크기의 Co, Fe 또는 Ni 등의 물질을 규정한 양 준비하여 WC와 Cu의 분말들에 혼합한다. 입상화없이, 이들 혼합된 분말은 2톤 등의 최종 성형 압력으로 가압 성형한 다음에, Cu의 소결 및 침투를 상기 방법과 동일한 방식으로 수행한다.
셋째로, 그룹 6의 테스트 샘플에 대한 제조 방법을 설명한다. 이들 접점 재료에 있어서는, TiC를 내아크 성분으로 한다. 먼저, 0.7㎛ 등의 규정한 입자 크기의 TiC의 규정한 양과, 규정한 입자 크기의 Cu의 규정한 양을 준비한다. 그 다음에, 80㎛등의 규정한 입자 크기의 Cr의 규정한 양을 준비한다. 그 다음에, 이들 분말을 서로 혼합하여 규정한 입자 크기의 2차 입자들로 입상화한다. 그런 후에, Cu의 소결 및 침투를 상기 방법과 동일한 방식으로 수행한다.
다음에, 여러 가지 접점 재료 조성 및 그들의 대응 특성 데이터를 표 2를 참조하여 살펴본다.
그룹 1 : 예 1-3 및 비교예 1과 2
모든 경우에 있어서, 전도성 성분으로 Cu를 사용하고 입자 크기 0.8㎛의 내아크 성분 WC를 사용한다. 성형 압력은 1-10톤의 범위내에서 변경한다.
표 1에 나타낸 바와 같이, 성형 압력이 적절한 예 1-3 및 비교예 1에서, 안정된 콤팩트(sound compact)가 얻어진다. 그러나, 비교예 2에서는 성형 압력(10톤)이 너무 높기 때문에, 크랙(cracks)이 발생되고 안정된 콤팩트를 얻을 수 없다. 예 1-3 및 비교예 1에서는, 접점 재료에서 전도성 성분 Cu의 체적비는 51.4-40.5 체적퍼센트의 범위에서 변경한다. 따라서, 안정된 콤펙트를 얻기 위해서는 접점 재료에서 전도성 성분의 체적비를 40 체적 퍼센트 이상으로 하는 것이 요구된다.
접점 재료에서 전도성 성분 Cu가 50 체적 퍼센트 이하인 예 1 -3에서는, 쵸핑 특성은 2.0 이하로 양호하다. 그러나, 비교예 1에서는, 쵸핑 전류값은 2.5이며, 이는 부적합하다.
이들 예로부터, 접점 재료에서 전도성 성분의 적절한 값은 40-50 체적퍼센트의 범위내에 있다는 것을 알 수 있다.
그룹 2 : 예 4, 5 및 비교예 3
이들 경우에는, 접점 재료에서 성분비를 일정하게 한다. 즉 전도성 성분 Cu는 약 45 체적 퍼센트이고, 내아크 성분 WC는 약 55체적 퍼센트이다. 내아크 성분 WC의 입자 크기는 1.5-5㎛의 범위내에서 변경한다. 접점 재료에서 조성비는 성형 프로세스에서 성형 압력을 3, 2, 1톤 등과 같이 조절함으로써 제어한다. 내아크 성분 WC의 입자 크기가 3㎛ 이하인 예 4와 5에서는 , 둘다 양호한 전류 쵸핑 특성, 전류 전달 특성 및 전류 -차단 특성을 나타낸다. 그러나, 내아크 성분 WC의 입자 크기가 5㎛ 인 비교예 3 에서는, 양호한 전류 - 차단 특성을 나타내지 않는다.
이들 예로부터, 내아크 성분의 입자 크기의 적정값은 3㎛ 이하임을 알 수 있다.
그룹 3 : 예 6 및 비교예 4-7
이들 경우에는 분말의 입상화를 수해하지 않는다. 그 대신에, 소결체 (sintered body)의 소결 밀도(sitered density)가 Co, Fe 및 Ni 등의 소결 활성제를 첨가하여 WC의 소결을 가속화시킴으로써 증가되며, 따라서 접점 재료에서 내아크 성분 WC의 양이 증가 된다. Cu에 녹아있는 Co, Fe 및 Ni 등의 소결 활성제의 양이 Cu의 0.1 중량 퍼센트 이상인 비교예 4-7에서는, 이들 활성제가 전도성 성분 Cu에 녹아있기 때문에 접점 재료의 전도성이 상당히 낮으며 전류-전달 특성이 나쁘다. Cu에 녹아있는 소결 활성제 Co의 양은 Cu의 1.0 중량 퍼센트 이하인 예 6에서는, 요구되는 전류 -전달 성능을 보장할수 있으며, 전류 쵸핑 특성 및 전류 -차단 특성도 양호하다.
이들 예로부터, Cu에 녹아 있는 Co, Fe 및 Ni 등의 소결 활성제의 양은 Cu의 0.1%이하가 되어야만 한다는 것을 알 수 있다.
그룹 4 : 예 7-9 및 비교예 8
이들 예에서는 Ag가 고-증기 성분 (high-vapor component)으로서 첨가되어 있는 Cu-Ag가 침투 물질로서 사용된다. 전도성 성분에서 Ag 성분의 양이 30 중량 퍼센트 이하인 예 7-9 모두 양호한 쵸핑 특성, 전류 - 전달 특성 및 전류 - 차단 특성을 갖는다. 그러나, 전도성 성분에서 Ag 성분이 30 중량 퍼센트 이상인 비교예 8에서는, 전류-차단 성능이 불충분하다.
그룹 5 : 예 10-12 및 비교예 9
이들 경우에, Te가 고-증기 성분으로 서 첨가되어 있는 Cu-Te가 침투 물질로서 사용된다. 전도성 성분에서 Te성분의 양이 12 중량 퍼센트 이하인 예10-12 모두 양호한 쵸핑 특성, 전류-전달 특성 및 전류 - 차단 특성을 갖는다. 그러나, 전도성 성분에서 Te 성분이 12 중량퍼센트 이상인 비교예 9에서는, 전류-차단 성능이 불충분 하다.
이들 예로부터, Cu-Ag가 침투 물질로서 사용되는 경우에도, 전도성 성분에서 Ag의 양은 30 중량 퍼센트 이하이어야 하고, Cu-Te가 침투 물질로서 사용되는 경우에는, 전도성 성분에서 Te의 양이 12중량 퍼센트 이하이어야 한다는 것을 알 수 있다.
그룹 6 : 예 13, 14 및 비교예 10, 11
이들 경우에는, TiC와 Cu의 적심성이 침투 동안에 TiC와 Cu의 분말에 Cr을 첨가함으로써 개선된다. 접점 재료에서 Cr의 양이 7 체적 퍼센트 이하인 예 13과 14 및 비교예 10 모두는 양호한 전류 쵸핑 특성, 전류-전달 특성 및 전류 - 차단 특성을 갖는다. 그러나, 접점 재료에서 Cr의 양이 7 체적 퍼센트 이상인 8.3체적 퍼센트인 비교예 11에서는, 다량의 Cr이 Cu내에 녹아 있기 때문에, 전류-전달 특성이 불충분 하다.
분말들의 배합(blending) 동안의 Cr의 양이 1-12 중량 퍼센트의 범위에 있는 예 13과 14에서는, 접점 재료에서 기공(pore)의 양은 2.0 이하이고, 적심성 개선 효과는 충분하다. 그러나, 분말들의 배합 동안의 Cr의 양이 1 중량 퍼센트 이하인 비교예 10에서는, Cr의 적심성 개선 효과가 불충분하기 때문에, 접점 재료에서 기공의 양은 3.5체적 퍼센트로 비교적 크고, 기공으로부터의 가스 방출이 일어날 수도 있다. 따라서, TiC를 내아크 성분으로 하는 경우에는 , 분말들의 배합 동안의 Cr의 양을 1-12중량 퍼센트의 범위에 있도록 하고, 접점 재료에서 Cr의 양을 0.5-7체적 퍼센트의 범위에 있도록 하는 것이 바람직하다.
이들 예에서는 Te는 접점 재료에 포함되어 있지 않다. 이것은 TiC가 열전자 방출 특성에서 WC보다 우수하므로 이들 예가 Te를 접점 재료에 첨가함이 없이 요구된 효과를 얻을수 있기 때문이다. 그러나, Te가 TiC를 포함한 이들 예에 포함되어 있는 경우에는, 이들 예에 따른 접점 재료는 더 개선된 특성을 나타낼 수 있다고 할 수 있다.
그룹 7 : 예 15와 16 및 비교예 12
이들 경우에서, 입상화하는 분말들을 8톤에서 성형한 다음에 분쇄하는 프로세스를 반복함으로써 실행한다. 예 15와 16에서와 같이 입상화를 위한 반복 횟수가 2회 이상인 경우에는, 안정된 콤펙트가 얻어지며 각 특성들 모두가 양호하다. 그러나, 성형 및 분쇄가 단지 한번만 행하는 비교예 12에서는, 입상화가 불충분하며, 마지막 성형 동안에 크랙이 발생한다. 따라서, 목적한 Cu 성분량을 달성 할 수 없다.
그룹 8 : 예 17 및 비교예 13
이들 예에서는 입상화를 4톤 또는 6톤에서 분말들을 성형하고 분쇄하는 프로세스를 반복함으로써 실행한다. 성형압력이 입상화를 위해 6톤인 예17에서는, 안정된 콤팩트가 얻어지며 모든 특성들이 양호하다. 그러나, 비교 입상화를 위해 4톤의 성형 압력을 사용하는 예 13에서는, 입상화가 불충분하며, 최종 성형 동안에 크랙이 발생한다. 따라서 목적한 Cu 성분 양을 달성할수 없다.
그룹 9 : 예 18
이 경우에, 입상화는 스프레이 드라이어를 사용하여 실행한다. 이 경우에, 모든 특성들은 예 2와 동일하게 양호하다.
상기 실시예에서, 주로 WC를 내아크 성분으로하는 접점 재료의 평가 결과가 주어져 있다. 그러나, 동일한 효과를 내아크 성분으로서 ZrC, HfC, VC 및 TiC 중 하나로 하는 경우 및 WC를 포함하는 이들 카바이드의 복수의 내아크 성분들을 사용하는 경우에 얻어질 수 있다.
진공 차단기용 접점 재료이 분말들을 성형 소결하여 내아크 성분 스켈러튼을 형성한 다음에 전도성 성분을 그 스켈러튼내로 침투시킴으로써 제조되는 제조방법에서, 성형 밀도는 내아크 성분의 분말과 전도성 성분의 분말로 구성된 혼합된 분말들을 더 큰 입자 크기의 입상화된 분말로 입상화 함으로써 고밀도로 된다. 이와 같이, 스켈러튼의 기공도를 소결시킨 분말에 Co, Fe 및 Ni 등의 소결 활성제를 첨가함이 없이 40-50 체적 퍼센트의 범위로 감소시킬 수 있음을 알 수 있다. 본 발명은 이러한 사실로부터 완성된다.
이 제조 방법에서, TiC를 내아크 성분으로 하는 경우에, 전체 분말의 1-12 중량 퍼센트의 양만큼 Cr을 소결시킬 분말에 첨가 함으로써, 스켈러튼의 안정도 (soundness)가 증가 된다는 섯이 입증된다.
스프레이 드라이어로 혼합한 분말들을 입상화함으로써, 콤팩트는 고밀도로 될 수 있다는 것이 입증된다.
또한 콤팩트는 분말 혼합 동안에 파라핀 또는 왁스를 첨가함으로써 보다 높은 밀도로 될 수 있음이 입증된다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 고전류 차단 특성, 저전류 쵸핑 특성, 및 고전류 전달 특성을 나타낼 수 있는 저가의 진공 차단기용 접점 재료를 제공 할 수 잇다.
본 발명에 따르면, 고전류 차단 특성, 저전류 쵸핑 특성, 및 고전류 전달 특성을 나타낼 수 있는 저가의 진공 차단기용 접점 재료를 제조하는 방법을 제공할 수도 있다.
그 외에도 본 발명의 수많은 수정 및 변형 실시예들도 이상의 개시 내용에 비추어 볼 때 가능하다. 따라서, 첨부된 특허청구의 범위내에서 여기에 특정하여 기술된 것과 달리 실시될 수도 있다는 것을 알아야 한다.

Claims (8)

  1. 진공 차단기용 접점 재료(a contact material for a vacuum interrupter)에 있어서, 적어도 Cu를 포함하는 전도성 성분; 및 W, Zr, Hf, V 및 Ti의 카바이드로 구성되는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 내아크 성분( arc- proof component)을 포함하되, 상기 접점 재료에서 상기 전도성 성분의 양은 40-50 체적%이고, 상기 접점 재료에서 상기 내아크 성분의 양은 50-60체적%이며, 상기 내아크 성분의 입자 크기는 3㎛ 이하이고, 상기 전도성 성분에 녹아 있는 Co, Fe 및 Ni로 구성되는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 포힘하는 소결 활성제(sintering acivator)의 총량은 상기 전도성 성분의 0.1% 이하인 진공 차단기용 접점 재료.
  2. 상기 전도성 성분은 Ag와 Te 중 적어도 하나를 포함하는 고증기압 성분(high vapor-pressure component)을 포함하는 것을 특징으로 하는 진공 차단기용 접점 재료.
  3. 제2항에 있어서, 상기 전도성 성분은 상기 고증기압 성분으로서 Ag를 포함하고, Ag의 양은 상기 전도성 성분의 30중량 퍼센트(wt%)이하인 것을 특징으로 하는 진공 차단기용 접점 재료.
  4. 제2항에 있어서, 상기 전도성 성분은 상기 고증기압 성분으로서 Te를 포함하고, Te의 양은 상기 전도성 성분의 12 중량퍼센트 (wt%) 이하인 것을 특징으로 하는 진공 차단기용 접점 재료.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 보조 성분 Cr을 더 포함하되, 상기 내아크 성분은 TiC이고, Cr의 양은 상기 접점 재료의 0.5-7 체적퍼센트 (vol%)인 것을 특징으로 하는 진공 차단기용 접점 재료.
  6. 진공 차단기용 접점 재료를 제조하는 방법에 있어서, 혼합된 분말을 얻기 위해 제1입자 크기의 내아크 성분 분말과 제2입자 크기의 전도성 성분 분말을 혼합하는 단계; 상기 제1 및 제2 입자 크기보다 더 큰 제3 입자 크기의 입상화된 분말 (granulated powder)을 얻기 위한 상기 혼합된 분말을 입상화(granulate)하는 단계; 40-50 체적퍼센트의 기공도의 보이드(voids of a porosity of 40-50 vol%)를 갖는 내아크 성분 스켈러튼 (arc- proof component skeleton)을 얻기 위한 상기 입상화된 분말을 성형(mold)하여 소결(sinter)하는 단계; 및 상기 접점 재료를 얻기 위한 상기 내아크 성분 스켈러튼의 상기 보이드내로 전도성 물질을 침투(infiltrate)시키는 단계를 포함하는 진공 차단기용 접점 재료 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 입상화 단계에서 제1 시간에서의 상기 혼합된 분말과 제2 시간의 후에서의 분쇄된 분말 중 하나를 6톤/㎠ 이상의 성형 압력에서 콤팩트(compact)로 성형하는 단계와 상기 콤팩트를 상기 분쇄된 분말로 분쇄하는 단계를 적어도 2번 반복적으로 실행하여 최종 분쇄된 상기 분쇄 분말을 상기 제3입자 크기의 상기 입상화된 분말로서 얻는 것을 특징으로 하는 진공 차단기용 접점 재료 제조 방법.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 혼합 단계는 상기 제1입자 크기의 상기 내아크 성분 분말로서의 TiC의 분말, 상기 제2입자 크기의 상기 전도성 성분 분말 및 제3입자 크기의 보조 성분 Cr의 분말을 혼합하여 상기 혼합된 분말을 얻는 단계를 포함하며, 상기 보조 성분의 Cr의 양은 상기 혼합된 분말의 양의 1-12중량 퍼센트의 범위내에 있는 것을 특징으로 하는 진공 차단기용 접점 재료 제조 방법.
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