KR100292119B1 - 전극재료,전극재료의제조방법및전극의제조방법 - Google Patents

전극재료,전극재료의제조방법및전극의제조방법 Download PDF

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Abstract

경금속류의 특수 접합용 전극 또는 스폿 저항 용접용 전극의 소재인 전극 재료 및 그 제조 방법이 개시되어 있다. 구리-0.1∼0.3베릴륨 합금분말을 진공 중에서 열처리하고, 환원 처리하여 상기 합금분말로부터 산화물을 제거하고 가열하여 상기 합금분말의 표면 및 내부의 베릴륨을 산화시킨 후, 수소 분위기 하에서 환원 처리하여 산화베릴륨계 분산강화구리의 분말을 제조한다. 상기 분산강화구리의 분말 내에 산화베릴륨이 균질하게 분포하므로, 내열성, 도전성, 열전도성 및 내마모성 등의 특성이 양호한 전극을 제조할 수 있고, 전극 재료에 의하여 소정 형상을 갖는 전극을 제조할 때 가공성 및 접합성을 향상시킬 수 있다. 또한, 고온 및 고압 조건하에서 용접 작업을 하는 경우에도 낮은 확산도를 유지할 수 있고, 피용접재의 용접성을 양호하게 할 수 있다.

Description

전극 재료, 전극 재료의 제조 방법 및 전극의 제조 방법
본 발명은 전극 재료, 전극 재료의 제조 방법 및 전극의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 특수 접합용 전극 및 저항 용접용 전극 등과 같은 전극을 제조하기 위한 소재가 되는 전극 재료, 이러한 전극 재료를 제조하는 방법, 그리고 상기 전극 재료를 소재로 하는 전극의 제조 방법에 관한 것이다.
종래의 경금속류 및 표면 처리 강판류를 접합하기 위한 특수 접합용 전극이나 저항 용접용 전극 등은 전극으로서는 그 용도가 특수하기 때문에, 내열성, 도전성, 열전도성 및 내마모성 등과 같은 전극 특성을 가질 것이 요구된다. 또한, 이러한 전극 특성을 갖는 전극을 형성하기 위하여, 전극의 소재인 전극 재료도 내열성, 도전성, 열전도성 및 내마모성 등과 같은 특성이 요구됨과 동시에, 전극 재료 내부 조직의 균질성과 각종의 가공 조건하에서도 용이하게 가공이 수행될 수 있도록 가공성 등의 특성을 가질 것이 요구된다. 상술한 전극 특성을 구비한 전극을 사용할 경우 피용접재를 원하는 상태로 용이하게 용접할 수 있다.
일반적으로 저항 용접용 전극은 용접을 행할 때 피용접재에 전류를 공급하는 도전체로서의 기능 및 피용접재를 용융 접합하는 기능을 갖는다. 따라서, 저항 용접용 전극으로서는 용접하려고 하는 피용접재의 종류 및 용접 조건에 적합한 특성을 구비한 전극이 사용되어야 한다. 또한, 대개의 경우 저항 용접용 전극은 용접 상태에 있어서, 계속적으로 고온 및 고압 조건하에 두어지기 때문에, 특히 고온에서 도전성을 만족시키는 전기적 특성과 함께 내열성이 요구된다. 이와 같이, 고온 및 고압 조건하에서 장시간 사용 가능한 저항 용접용 전극으로는 기본적으로 낮은 확산도를 가짐과 동시에 피용접재와 융착하지 않는 특성을 갖는 전극 재료가 요구된다. 종래에는 저항 용접용 전극으로서 도전성이 높고 내식성이 양호한 순동(純銅)이 주로 사용되었지만, 이러한 순동은 그 기계적 강도가 낮은 문제점이 있었다.
따라서, 순동의 기계적 강도를 향상시키기 위해 구리(Cu)를 기본 금속(base metal)으로 하여 크롬(Cr), 지르코늄(Zr), 베릴륨(Be), 규소(Si), 니켈(Ni) 또는 텅스텐(W) 등의 금속 원소를 미량으로 첨가하여 합금을 만들거나, 금속 상(相)을 석출시킨 다음, 이러한 금속 상을 분산 물질로 사용한 분산강화 합금이 전극 재료로 사용되고 있다.
그러나, 이와 같은 종류의 분산강화 합금을 전극 재료로서 사용할 경우, 전극에 요구되는 내열성, 도전성, 열전도성 및 내마모성 등과 같은 전극 특성 중 일부의 제한된 전극 특성을 만족시킬 수는 있지만 요구되는 전극 특성 모두를 만족시킬 수는 없게 된다. 예를 들면, 상기 분산강화 합금 중 구리-크롬(Cu-Cr) 합금은 현재 저항 용접용 전극의 전극 재료로 가장 많이 사용되고 있으며 전형적인 주조 방법에 따라 제조할 수 있다. 또한, 상기 구리-크롬 합금에 있어서, 구리 기본 금속 중에 2 중량 퍼센트(wt%) 미만의 미세한 크롬 석출상을 분포시킴으로써 향상된 기계적 강도를 갖게 할 수 있다. 그러나, 상기 구리-크롬 합금을 전극 재료로 사용하여 인발 가공, 압연 가공 또는 단조(鍛造)가공에 의해 제조된 저항 용접용 전극으로서 용접을 수행하면, 용접시에 발생하는 아크(arc)열에 의해 전극 재료가 고온이 됨에 따라 크롬 석출상의 조대화(粗大化)를 야기하여 전극의 열적 안정성 및 내구성이 저하되는 문제가 발생한다.
따라서, 상술한 구리-크롬 합금의 문제점을 해결하기 위하여, 산화물 분산 물질을 함유하는 산화물계 분산강화구리가 개발되었다. 이러한 산화물계 분산강화구리로는 산화알루미늄계 분산강화구리(Cu-Al2O3), 산화규소계 분산강화구리(Cu-SiO2) 그리고 산화지르코늄계 분산강화구리(Cu-ZrO2) 등이 있다. 현재까지는 이들 산화물계 분산강화구리에 함유되는 분산강화 믈질 중 산화알루미늄(Al2O3)이 효과적이라고 알려져있다.
상기 산화알루미늄계 분산강화구리는 분말야금 방법과 내부산화 처리를 조합한 기술에 의해 제조된다. 즉, 먼저 구리-알루미늄(Cu-Al) 합금을 유도 가열에 의해 가열하고, 아토마이제이션(atomization) 공정을 이용하여 구형(球形)의 구리-알루미늄 합금 분말을 형성한다. 다음에, 이 구리-알루미늄 합금 분말에 산화구리(Cu2O) 분말과 같은 산화제를 적당량 혼합하고, 이러한 산화구리 분말이 혼합된 구리-알루미늄 합금분말에 적정량의 산소(O2)를 함유하는 산소 분위기 하에서 고온으로 가열함으로써 내부산화 처리를 수행한다. 이 경우 산소와 알루미늄 원자가 선택적으로 결합하여 산화알루미늄(Al2O3) 상(相)이 형성된다. 즉, 내부산화 과정에서 산화구리 분말이 구리와 산소로 분해되며, 이 분해된 산소가 구리-알루미늄 합금 분말 내로 확산됨으로써, 원자 상태의 산소와 알루미늄 원자가 반응하고 결합하는 것에 의해 구리 분말 내에 산화알루미늄 상이 형성된다. 이에 따라, 전극 재료로 사용되는 산화알루미늄계 분산강화구리의 분말이 제조된다.
상술한 방법으로 제조된 산화알루미늄계 분산강화구리는 우수한 크리프 저항(creep resistance) 특성 및 열적 안정성을 가지며, 이러한 특성들이 고온에서도 유지된다. 또한, 상기 산화알루미늄계 분산강화구리는 산화알루미늄의 분산 상이 구리 기본 금속 내에 고용 상태로는 존재하지 않는 열역학적 특성을 갖기 때문에 도전성의 저하 효과가 극히 작아서 전극 재료로서 적합하다.
이와 같은 방법에 따라 제조된 산화물계 분산강화구리를 전극 재료로 사용하여 전극을 제조하는 경우, 우선 상술한 내부산화 처리에 의해 생성된 산화알루미늄계 분산강화구리 분말을 다시 환원 가스 분위기 하에서 가열하여 산화알루미늄계 분산강화구리 분말의 산화피막을 제거한다. 이어서, 산화피막이 제거된 산화알루미늄계 분산강화구리의 분말을 약 760∼927℃ 정도의 온도에서 열간 압연 가공 처리한 후, 다시 인발 가공 또는 단조 가공 처리를 실시하여, 예를 들면, 원추형과 같은 소정의 형상을 갖는 전극용 팁(tip)을 제조한다.
그러나, 이러한 산화물계 분산강화구리를 제조하기 위하여, 구리-알루미늄 합금 분말에 산화구리와 같은 산화제를 혼합하고 고온에서 가열하여 내부산화 처리를 수행함에 있어서, 산화구리를 적정량만큼 혼합하는 것이 어렵기 때문에 산화의 정도를 조절하기가 매우 힘들다. 이에 따라, 산화물을 미세화하고 균일하게 분산시킬 수 없게 됨으로써, 산화알루미늄계 분산강화구리 분말을 전극 재료로서 사용하여 압출 가공, 인발 가공 또는 단조 가공 방법으로 전극을 제조할 경우, 가공성이 저하되거나 전극의 조직이 치밀하게 되지 않거나 또는 그 강도가 저하되어 양호한 전극 특성을 갖춘 전극을 제조하기 어려운 문제가 있다.
따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 제1의 목적은 특수 접합용 전극 및 저항 용접용 전극 등과 같은 전극을 제조하는 소재가 되는 전극 재료로서 내부산화 처리에 의하여 우수한 전극 특성을 갖는 분산강화 재료를 제공하는 것이다.
본 발명의 제2의 목적은 특수 접합용 전극 및 저항 용접용 전극 등과 같은 전극을 제조하는 소재가 되는 전극 재료로서 내부산화 처리에 의해 우수한 전극 특성을 갖는 분산강화 재료의 제조에 특히 적합한 전극 재료의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 제3의 목적은 내부산화 처리에 의해 우수한 전극 특성을 갖는 분산강화 재료로 구성된 전극의 제조 방법을 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명의 폭발용접 방법에 따른 전극의 제조 장치의 사시도이다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 폭발용접 방법에 따른 전극의 제조 방법을 나타내는 제조 공정도이다.
도 3a 내지 도3c는 본 발명의 폭발압착 방법에 따른 전극의 제조 방법을 나타내는 제조 공정도이다.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
1, 31 : 지지대 3 : 모재
5 : 스페이서 7 : 제1 부재
9 : 제2 부재 11, 33 : 폭약
13, 35 : 뇌관 21 : 폭약 용기
23 : 분말 용기 25 : 분말
27 : 내측 튜브 29a, 29b : 플러그
상술한 본 발명의 제1의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, (a) 구리-0.1∼0.3중량％베릴륨(Cu-0.1∼0.3wt%Be) 합금 분말을 열처리하고, (b) 상기 열처리된 구리-0.1∼0.3중량％베릴륨 합금 분말을 환원 처리하여 상기 구리-0.1∼0.3중량%베릴륨 합금 분말로부터 산화물을 제거하며, (c) 상기 산화물이 제거된 구리-0.1∼0.3중량%베릴륨 합금 분말을 가열하여 상기 구리-0.1∼0.3중량%베릴륨 합금 분말의 표면을 산화시키고, (d) 상기 표면이 산화된 구리-0.1∼0.3중량%베릴륨 합금 분말을 가열하여 구리-0.1∼0.3중량%베릴륨 합금 분말의 내부 베릴륨을 산화시키며, (e) 상기 내부의 베릴륨이 산화된 구리-0.1∼0.3중량%베릴륨 합금분말을 환원 처리함으로써 형성된 산화베릴륨계 분산강화구리 분말로 이루어진 전극 재료를 제공한다.
상술한 본 발명의 제2의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, (i) 구리-0.1∼0.3중량%베릴륨 합금 분말을 진공 중에서 열처리하는 풀림 열처리단계, (ii) 상기 열처리된 구리-0.1∼0.3중량%베릴륨 합금 분말을 환원 처리에 의해 산화물을 제거하여 순수한 구리-0.1∼0.3중량%베릴륨 합금 분말을 생성하는 전처리 환원단계, (iii) 상기 산화물이 제거된 구리-0.1∼0.3중량%베릴륨 합금 분말을 가열하여 구리-0.1∼0.3중량%베릴륨 합금 분말의 표면을 산화시키는 제1 산화단계, (iv) 상기 표면이 산화된 구리-0.1∼0.3중량%베릴륨 합금 분말의 내부 베릴륨을 산화시키는 제2 산화단계, 그리고 (v) 내부의 베릴륨이 산화된 구리-0.1∼0.3중량%베릴륨 합금 분말을 수소 분위기 하에서 환원 처리를 실시하여 산화베릴륨계 분산강화구리의 분말을 형성하는 환원 단계를 포함하는 전극 재료의 제조 방법을 제공한다.
바람직하게는, 상기 전처리 환원 단계는 약 400∼500℃의 온도 및 수소 분위기 하에서 수행되고, 상기 제1 산화단계는 약 400∼500℃의 온도 및 산소 분위기 하에서 수행되며, 상기 제2 산화단계는 약 900∼1000℃의 온도 및 불활성 가스 분위기 하에서 수행된다.
상술한 본 발명의 제3의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, (i) 구리-0.1∼0.3중량%베릴륨 합금 분말을 진공 중에서 열처리하는 풀림 열처리단계, (ii) 상기 풀림 열처리된 구리-0.1∼0.3중량%베릴륨 합금 분말을 환원 처리에 의해 산화물을 제거하여 순수한 구리-0.1∼0.3중량%베릴륨 합금 분말을 생성하는 전처리 환원단계, (iii) 상기 산화물이 제거된 구리-0.1∼0.3중량%베릴륨 합금 분말을 가열하여 구리-0.1∼0.3중량%베릴륨 합금 분말의 표면을 산화시키는 제1 산화단계, (iv) 상기 표면이 산화된 구리-0.1∼0.3중량%베릴륨 합금 분말을 가열하여 구리-0.1∼0.3중량%베릴륨 합금 분말의 내부 베릴륨을 산화시키는 제2 산화단계, (v) 상기 내부의 베릴륨이 산화된 구리-0.1∼0.3중량%베릴륨 합금 분말을 수소 분위기 하에서 환원 처리하여 산화베릴륨계 분산강화구리의 분말을 형성하는 환원단계, (vi) 상기 산화베릴륨계 분산강화구리 분말을 제1 부재 및 제2 부재로 형성한 후, 모재 상부에 위치시키고, 상기 산화베릴륨계 분산강화구리의 제1 부재 및 제2 부재와 거리를 두어 폭약을 충전하는 폭약충전 단계, 그리고 (vii) 상기 폭약을 폭발시켜 산화베릴륨계 분산강화구리 제1 부재 및 제2 부재에 폭약압력을 가하여 전극을 형성하는 폭발용접 단계를 포함하는 전극의 제조 방법을 제공한다.
또한, 상술한 본 발명의 제3의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, (a) 구리-0.1∼0.3중량%베릴륨 합금 분말을 진공 중에서 열처리하는 제1 풀림 열처리단계, (b) 상기 풀림 열처리된 구리-0.1∼0.3중량%베릴륨 합금 분말을 환원 처리에 의해 산화물을 제거하여 순수한 구리-0.1∼0.3중량%베릴륨 합금 분말을 생성하는 전처리 환원단계, (c) 상기 산화물이 제거된 구리-0.1∼0.3중량%베릴륨 합금 분말을 가열하여 구리-0.1∼0.3중량%베릴륨 합금 분말의 표면을 산화시키는 제1 산화단계, (d) 표면이 산화된 구리-0.1∼0.3중량%베릴륨 합금 분말을 가열하여 구리-0.1∼0.3중량%베릴륨 합금 분말의 내부 베릴륨을 산화시키는 제2 산화단계, (e) 상기 내부의 베릴륨이 산화된 구리-0.1∼0.3중량%베릴륨 합금 분말을 수소 분위기 하에서 환원 처리 산화베릴륨계 분산강화구리 박판을 형성하는 환원단계, (f) 상기 산화베릴륨계 분산강화구리 박판을 압축하여 단괴 형상으로 만드는 압축단계, (g) 상기 압축된 산화베릴륨계 분산강화구리 단괴를 치밀화시키는 치밀화단계, (h) 상기 치밀화된 산화베릴륨계 분산강화구리 단괴를 가열하고, 상기 가열된 단괴를 압출하여 산화베릴륨계 분산강화구리 전극 재료를 제조하는 압출단계, 그리고 (i) 상기 산화베릴륨계 분산강화구리 전극 재료를 열처리하는 제2 풀림 열처리단계를 포함하는 전극의 제조 방법을 제공한다.
바람직하게는, 상기 압축단계는 상기 산화베릴륨계 분산강화구리 박판을 상온에서 약 400∼600MPa의 압력을 가하여 수행되며, 상기 치밀화 단계는 상기 산화베릴륨계 분산강화구리 단괴를 전기진공유도로 내에서 약 900∼1000℃의 온도에서 약 1400∼1600MPa의 압력을 가하여 치밀화시키는 단계이다.
상기 압출단계는 상기 전기진공유도로의 온도를 약 900∼1100℃로 상승시켜 산소 분위기 하에서 상기 치밀화된 산화베릴륨계 분산강화구리 단괴를 가열한 후, 상기 가열된 산화베릴륨계 분산강화구리 단괴를 압출하여 봉의 형상을 갖는 산화베릴륨계 분산강화구리 전극 재료를 형성하는 단계이며, 상기 제2 풀림 열처리단계는, 상기 산화베릴륨계 분산강화구리 전극 재료를 약 200∼1000℃의 온도에서 약 1∼3시간 동안 풀림 열처리하여 수행된다.
본 발명에 의하면, 산화베릴륨계 분산강화구리의 분말 내의 산화베릴륨의 양이 균질해지므로, 내열성, 도전성, 열전도성 및 내마모성 등의 전극 특성이 양호한 전극을 제조할 수 있다. 또한, 전극 재료에 의하여 소정 형상을 갖는 전극을 제조할 때 가공성 및 접합성을 현저하게 향상시킬 수 있으며, 고온 및 고압 조건하에서 용접 작업을 하는 동안 낮은 확산도를 유지할 수 있음과 동시에, 피용접재의 용접성을 양호하게 할 수 있다.
이하 본 발명에 따른 특수 접합용 전극 및 저항 용접용 전극 등과 같은 전극을 제조하기 위한 소재가 되는 전극 재료, 이러한 전극 재료를 제조하는 방법 그리고 상기 전극 재료를 소재로 하는 전극의 제조 방법을 바람직한 실시예를 중심으로 도면을 참조하여 상세하게 설명하지만, 하기 실시예는 본 발명을 한정하거나 제한하는 것은 아니다.
실시예
먼저, 기본 금속(base metal)으로 구리(Cu)를 사용하고, 첨가 원소로는 기본 금속인 구리에 대하여 약 0.1∼0.3중량퍼센트(wt%) 정도, 바람직하게는 약 0.2중량퍼센트의 베릴륨(Be)으로 구성된 구리-0.2중량%베릴륨(Cu-0.2wt%Be) 합금을 진공 중에서 유도 가열 방법으로 가열하여 용융시켰다(용융 단계). 상기 첨가 원소인 베릴륨은 99.95％의 순도를 갖는 것을 사용하였다. 이어서, 상기 용융 상태의 구리-0.2wt%베릴륨 합금을 아토마이제이션(atomization) 방법으로 미립자화하여 구리-0.2wt%베릴륨 합금 분말을 생성하였다(아토마이제이션 단계).
상기 구리-0.2wt%베릴륨 합금 분말을 형성하기 위한 용융 단계 및 아토마이제이션 단계 동안 생성되는 구리-베릴륨 합금 분말의 표면에 산화물이 존재할 경우, 이러한 표면의 산화물을 제거하여 순수한 구리-베릴륨 합금 분말을 제조하는 것이 요구된다. 만일 표면에 산화물이 존재하는 구리-베릴륨 합금 분말을 사용할 경우, 이 구리-베릴륨 합금 분말에 내부산화 처리를 수행하여 산화베릴륨계 분산강화구리(Cu-BeO) 분말을 생성하면, 산화베릴륨계 분산강화구리의 분말에 함유되는 산화베릴륨(BeO)의 함유량을 조절하는 것이 어려울 뿐만 아니라, 구리산화물(CuO 및 Cu2O)이 산화베릴륨계 분산강화구리의 분말에 함유되는 경우가 있다. 또한, 이와 같이 순수하지 않은 산화베릴륨계 분산강화구리의 분말을 전극 재료로서 사용하여 저항 용접용 전극을 제조할 경우, 이러한 저항 용접용 전극의 도전성이 극히 낮아지게 된다.
따라서, 구리-베릴륨 합금을 아토마이제이션법에 의해 미립자화하여 구리-베릴륨 합금 분말을 생성할 때는 표면에 산화물이 존재하지 않는 순수한 구리-베릴륨 합금 분말을 생성하여야 하며, 생성된 구리-베릴륨 합금 분말의 표면에 산화물이 존재하는 경우에는 반드시 산화물을 제거하도록 한다. 상기 용융 단계 및 아토마이제이션 단계를 수행하는 동안 생성된 구리-베릴륨 합금 분말의 표면의 산화물울 제거하는 바람직한 방법은 다음과 같다. 먼저, 표면에 산화물이 존재하는 구리-0.2wt%베릴륨 합금 분말을 약 700∼900℃의 온도 및 진공 중에서 가열하여 풀림 열처리(annealing)를 실시하면, 구리-0.2wt%베릴륨 합금 분말에 존재하는 내부 응력이 제거되고, 결정 입자가 미세화 되었다(풀림 열처리단계). 그 결과, 구리-0.2wt%베릴륨 합금 분말의 표면에 형성된 산화피막의 밀집성이 완화됨과 동시에 이 후의 열처리 환원 공정에 있어서 구리-0.2wt%베릴륨 합금 분말의 표면에 존재하는 산화물에 수소가 용이하게 침투하게 된다. 이와 같이, 풀림 열처리를 수행한 후, 구리-0.2wt%베릴륨 합금 분말을 약 400∼500℃ 정도의 온도 및 수소 분위기 하에서 환원처리를 실시하면, 표면에 산화물이 전혀 존재하지 않는 순수한 구리-0.2wt%베릴륨 합금 분말을 제조할 수 있었다(전처리 환원단계).
이에 비하여, 용융 상태의 구리-베릴륨 합금을 아토마이제이션법에 의해 미립자화하여, 순수한 구리-베릴륨 합금 분말을 얻는 방법도 있다. 이 경우, 구리-베릴륨 합금의 미립자화를 무산소 분위기 하에서 수행하여, 구리-베릴륨 합금의 분산과정에 있어서 산소를 차단하면서 구리-베릴륨 합금 분말이 생성되게 한다(무산소 분위기 아토마이제이션 공정). 이러한 무산소 분위기 아토마이제이션 공정으로 얻어진 구리-베릴륨 합금 분말을 진공 중에서 풀림 열처리(진공 중 풀림 열처리단계)를 실시하면, 상기 전처리 환원단계를 생략하여 순수한 구리-베릴륨 합금 분말을 얻을 수도 있다.
계속하여, 주괴(ingot)를 이용하여 상기 구리-0.2wt%베릴륨 합금 분말을 약 1㎜ 정도의 두께를 갖는 제1 부재 및 제2 부재와 약 200㎛ 정도의 두께를 갖는 박판(flake)으로 제조하였다. 그리고, 상술한 바와 같이, 상기 산화물이 제거된 순수한 구리-0.2wt%베릴륨 합금 박판을 약 400∼500℃, 바람직하게는 약 450℃ 정도의 온도 및 공기 중 또는 산소 분위기 하에서 가열하여 구리-베릴륨 합금 박판의 표면에 산화 피막을 형성하였다(표면산화 단계).
이러한 표면산화 단계는 다음과 같이 수행된다. 즉, 약 100g의 구리-0.2wt%베릴륨 합금 박판을 항온조에 넣고, 약 450℃ 정도의 온도 및 대기압 상태의 공기 또는 산소 분위기 하에서 가열하였다. 이어서, 상기 항온조에서 구리-0.2wt%베릴륨 합금 박판을 취출하여, 하기의 화학식 1에 따라 상기 구리-0.2wt%베릴륨 합금 박판의 표면이 충분하게 산화되었음을 알 수 있었다.
2Cu＋1/2O2→Cu2O
상기 구리-0.2wt%베릴륨 합금 박판에 소정의 두께만큼 산화 피막을 형성하는 데 필요한 산화 시간은 산화 피막 내에 잔류하는 산소에 따라 정해지는 중량비 ΔW의 증가에 의하여 조절할 수 있었다. 이 때, 상기 중량비 ΔW는 산화물 생성 첨가 원소인 베릴륨이 산화물로 변하는 시점에서 하기의 수학식 1에 따라 계산된다.
ΔW＝a×b×Wcu×Ao/Are
상기 수학식 1에서, a는 당량비를 의미하고, b는 시료의 합금 성분의 중량비를 나타내며, Wcu는 구리의 중량을 의미하고, Ao 및 Are는 각기 산소의 원자량과 산화물 생성 원소인 베릴륨의 원자량을 나타낸다.
계속하여, 상기 구리-0.2wt%베릴륨 합금 제1 부재 및 제2 부재를 구리, 산화구리(Cu2O) 및 산화베릴륨(BeO) 분말들로 채워진 용기 내에서 약 900∼1000℃, 바람직하게는 약 950℃ 정도의 온도로 약 1시간 동안 유지하여 내부산화를 수행하였다(내부산화 단계).
이에 비하여, 상기 표면산화된 구리-0.2wt%베릴륨 합금 박판은 약 900∼1000℃, 바람직하게는 약 950℃ 정도의 온도로 아르곤(Ar) 또는 헬륨(He) 등의 비활성 가스 분위기 하에서 약 1시간 정도 가열함으로써, 상기 구리-0.2wt%베릴륨 합금 박판 내의 베릴륨을 다음의 화학식 2와 같이 내부산화를 수행하였다(내부산화 단계).
Cu2O→2Cu+1/2O2
Be+1/2O2→BeO
그 결과, 산화베릴륨의 양이 균질해짐과 동시에, 전극 특성이 양호한 산화베릴륨계 분산강화구리 제1 부재, 제2 부재 및 박판이 형성되었다. 상기 구리-0.2wt%베릴륨 합금 제1 부재, 제2 부재 및 박판의 내부산화 단계에 있어서, 내부산화 온도는 내부산화 선단의 선형에서 입자 경계의 영향을 감소시킴으로써, 경화상의 작은 입자를 유지하는 데 따라 선택되는 바, 본 실시예에서는 상기 내부산화의 적정 온도는 약 950℃임을 확인할 수 있었다.
통상적으로 재료의 내부산화라 함은 석출 경화(precipitated hardening)의 특수한 형태로 제2 상(산화물 입자)이 석출 경화함으로써, 2 상계가 형성되는 것을 말한다. 이 때, 제2 상이 석출 경화된 재료의 구조 안정성은 입자의 확산도의 크기에 따라 결정된다. 즉, 석출한 제2 상을 구성하는 산화물의 입자와 원소재의 사이의 원자 교환(atomic exchange)에 의하여 구조 안정성이 결정된다. 상기 제2 상이 고융점 화합물로서 기본 금속의 원자를 함유하지 않는 경우, 구조의 고온 안정성이 확보될 수 있다. 이 때, 금속의 산화물은 금속 화합물중 가장 높은 융점을 가진다. 또한, 제2 상의 입자가 양호하게 분산된 경우, 소량의 산화베릴륨을 함유시키는 것만으로 강도가 높은 재료를 얻을 수 있으며, 높은 도전성 및 열전도성을 가지므로 높은 순도의 구리와 유사한 특성을 나타낸다.
이러한 내부산화는 수행할 수 있는 조건으로서, 기본 금속(base metal)이 우수한 산소 용해도(solubility)를 가질 것, 첨가 원소의 절대 자유 에너지가 기본 금속의 자유 에너지보다 훨씬 높을 것 그리고 첨가 원소의 산소 확산 속도가 기본 금속보다 높을 것 등이 요구된다. 본 실시예에서와 같이, 기본 금속으로서 구리를 사용할 경우, 상기 산화물 생성 첨가 원소로서는 알루미늄(Al), 베릴륨(Be), 규소(Si), 티타늄(Ti) 또는 지르코늄(Zr) 등이 사용될 수 있으며, 이들 원소를 두 개 또는 세 개 조합하여 산화물 생성 첨가 원소로 사용할 수도 있다. 이 경우, 내부산화는 산화물을 형성하는데 필요한 자유 에너지(F)의 절대치가 유지됨으로써 발생한다. 또한, 이러한 내부산화 반응은 열손실을 수반한다. 재료의 표면의 산소의 압력이 기본 금속의 산화물의 해리에 소요되는 압력과 같을 경우, 산소는 즉시 재료 내로 확산된다.
상술한 내부산화에 있어서, 일정 온도의 시료의 표면에 존재하는 산소의 분압(PO2)은 하기의 화학식 3의 반응에 대한 수학식 2의 평형상수(Kp)에 따라 수학식 2에 의하여 결정된다.
Cu2O→2Cu＋1/2O2
이 경우, 평형상수(Kp)는 다음의 수학식 2와 같이 표시된다.
logKp＝-ΔFT/2.303RT
상기 수학식 2에서, ΔFT는 자유에너지(F)의 변화이고, T는 온도를 나타내며, R은 기체 상수를 의미한다.
상기 화학식 3에서, 온도 T에서의 반응을 수반하는 산화구리(Cu2O)와 구리(Cu)는 응축된 상태(condensed state)이므로, 평형상수(KP)는 산소의 분압(PO2)에 따라 하기의 수학식 3과 같이 결정된다.
Kp=|PO2|1/2
(Kp=(PCu)2·PO2 1/2/PCu2O로부터 산화구리 및 구리는 응축된 상태이므로 (PCu)2및 PCu2O는 제외된다.)
이 때, 산소의 압력은 일정하며 산소의 용해도는 헨리(Henry)의 법칙에 따라 에 비례한다. 그러나, 기본 금속에 함유되어 있는 산화알루미늄 또는 산화베릴륨과 같이 분압이 낮은 측이 산화물의 분압보다 낮을 경우, 외부 피막은 형성되지 않는다. 또한, 내부산화에 있어서, 재료 표면의 산소의 압력이 일정하면, 시료에 대한 산소의 용해도는 상기 헨리의 법칙에 따르므로, 산화는 기본 금속 내의 산소의 용해도를 무시하는 것이 가능해지는 정도의 온도에서 일어난다. 이러한 산화막은 표면이 벗겨지지 않을 정도의 충분한 강도를 갖게 된다.
산화막이 형성된 후, 시료의 온도를 상승시키면, 표면에 흡수된 산소는 내부로 확산되어 베릴륨 등의 산화성이 강한 원소와 만나고 이것과 반응하여 산화물의 분자를 생성함으로써, 내부산화 공정이 일어난다. 경화 재료에서 산화물 입자의 크기는, 내부산화 공정의 온도 및 산화재(표면산화 공정에서 형성된 산화물)의 농도에 의존한다.
표 1에 기본 금속으로 구리를 사용하고 각종의 첨가 원소를 사용하여 상술한 내부산화 공정에 따라 내부산화시킨 여러 가지 합금의 기계적 특성을 나타낸다. 하기 표 1에서, d는 입자 표면으로부터 약 0.4∼0.5㎜ 지역 내의 내부 입자의 평균 크기를 나타내며, ΔF는 산화물 생성에 필요한 자유 에너지의 부(負; negative) 값을 나타내고, 입자의 형태는 회절(diffraction)에 의해 결정된 입자의 형태를 의미하며, σ는 20℃의 온도에서의 파괴 강도를 나타내고, δ는 상대적 신율을 의미한다.
합금의 종류 d(nm) ΔF(cal/g·atom) 입자의 형태 σ(MPa) δ(%)
실시예 Cu-0.2%Be 13 115,250 BeO 400 4
비교예 Cu-0.2%Al 25 103,133 Al2O3 300 20
비교예 Cu-0.4%Al 30 103,133 Al2O3 360 13
Cu-0.2%Ti 20 86,945 TiO2 230 16
Cu-0.4%Zr 21 103,700 ZrO2 290 18
Cu-0.2%Si 70 76,100 SiO2 180 17
Cu-0.2%Al-0.05%Ti 20 · Al2O3, TiO2 320 9
Cu-0.4%Al-0.05%Be 20 · Al2O3, BeO · ·
Cu-0.2%Al-0.05%Si 20 · Al2O3 340 10
Cu-0.2%Si-0.05%Be 30 · BeO 270 6
Cu-0.2%Si-0.05%Ti 56 · TiO2 290 7
본 실시예에 있어서, 상기 제1 부재, 제2 부재 및 박판 내의 산화베릴륨의 평균 크기는 내부산화 과정 동안에는 큰 변화를 보였지만, 이후 약 300 시간 동안은 거의 변화가 없는 것으로 관찰되었다. 이러한 점은 내부산화 과정 중의 입자의 크기를 결정하는 주요 인자가 임계핵(ν)의 크기라고 생각된다. 이 경우, 임계핵(ν)의 크기는 하기의 수학식 4 및 수학식 5에 따라 결정된다.
ν＝2α/ΔF
이 때, α는 경계면의 비표면 에너지를 의미하며, 산화물 형성열인 ΔF는 새로운 상의 석출에 필요한 자유에너지 변화량과 관련된 공식인 다음의 수학식 5에 따라 결정된다.
ΔF＝V×ΔFv＋αS＋ΔFz
여기서, V는 핵의 체적, ΔFv는 단위 체적당 자유에너지 변화량, S는 핵의 표면적 그리고 ΔFz는 침임 입자의 체적 변화에 기인하는 탄성에너지를 나타낸다.
따라서, 상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 입자의 크기는 산화물 상의 생성에 필요한 자유 에너지의 절대값의 변화에 크게 의존하는 것을 알 수 있다. 상술한 내부산화 공정 동안 산화물 형성열인 ΔF의 값을 높게 유지함으로써, 매우 미세하게 분산된 석출물울 얻울 수 있다. 그러나, 산화물과 금속 원자 사이의 낮은 상호 작용으로 인해 경계면의 비표면 에너지인 α가 높은 값을 갖게 되면 산화베릴륨계 구리 합금의 강화 효과를 저해한다. 경화상 입자의 형태도 α에 의해 결정되므로 석출 모체(matrix) 경계면에서 비표면 에너지를 감소시켜 산화물 입자를 포함하는 재료의 강도를 향상시킬 수 있다.
상술한 방법에 따라 제조된 산화베릴륨계 분산강화구리 제1 부재, 제2 부재 또는 박판의 표면에 산화물이 존재하면, 후에 소정의 형상으로 전극을 성형할 때, 산화베릴륨계 분산강화구리의 결합이 방해된다. 따라서, 산화베릴륨계 분산강화구리 제1 부재, 제2 부재 및 박판을 약 400∼500℃ 정도의 온도로 수소 분위기 하에서 약 0.5시간 정도 가열함으로써, 환원 처리를 수행한 후, 수소 분위기 하에서 실온으로 냉각하여 제1 부재, 제2 부재 및 박판의 표면의 산화물을 제거하였다(환원단계).
이와 같이 표면의 산화물이 제거된 전극 재료를 사용하면, 소정 형상의 전극을 제조하는 경우에 있어 가공성이 양호하기 때문에 전극 조직을 치밀하게 할 수 있었다.
비교예
상술한 실시예의 방법에 따라서 기본 금속으로 구리(Cu)를 사용하고, 첨가 원소로는 구리에 대하여 약 0.4 중량퍼센트(wt%) 정도의 알루미늄(Al)을 첨가한 구리-0.4중량％알루미늄(Cu-0.4wt％Al) 합금 및 약 0.2 중량퍼센트 정도의 알루미늄(Al)을 첨가한 구리-0.2중량％알루미늄(Cu-0.2wt％Al) 합금 등의 산화알루미늄계 분산강화구리를 제조하였다.
이하, 상기 실시예에 따른 산화베릴륨계 분산강화구리와 비교예에 따른 산화알루미늄계 분산강화구리로 구성된 전극 재료를 사용하여 전극을 제조하는 방법에 대하여 설명한다.
본 발명에 있어서, 상술한 산화베릴륨계 분산강화구리 및 산화알루미늄계 분산강화구리를 각기 약 1㎜ 두께의 부재, 약 200㎛의 박판 또는 약 100㎛의 분말 형태로 형성한 후, 산화베릴륨계 분산강화구리 또는 산화알루미늄계 분산강화구리로 이루어진 시료 전극을 폭발용접(expolsive welding) 방법, 폭발압착(explosion compression) 방법 그리고 준동적(quasi dynamic)(압출) 방법을 사용하여 제조하였다.
상기 폭발용접 방법에 있어서, 비대칭 구조의 방식으로 폭약의 폭발에 의하여 충격파를 발생시킨 후, 상기 충격파에 따른 큰 에너지를 접합재에 전달함에 있어, 모재(base) 상의 부재가 평면 압착되도록 하였다.
도 1은 본 발명의 폭발용접 방법에 따른 전극의 제조 장치의 사시도이며, 도 2a 내지 도2c는 본 발명의 폭발용접 방법에 따른 전극의 제조 방법을 나타내는 제조 공정도이다.
도 1을 참조하면, 먼저, 지지대(1) 상에 모재(3)를 위치시킨 후, 상기 모재(3)에 대향하여 실시예에 따른 산화베릴륨계 분산강화구리 또는 비교예에 따른 산화알루미늄계 분산강화구리의 제1 부재(7)가 설치된다. 상기 제1 부재(7)는 약 1㎜ 정도의 두께 및 약 200×60㎟의 면적을 갖는 것을 사용하였다.
상기 모재(3)와 제1 부재(7) 사이에는 비대칭 구조, 즉, 일측의 높이가 타측의 높이보다 낮게 스페이서(5)가 설치된다. 이러한 스페이서(5)에 의하여 상기 모재(3)와 제1 부재(7)의 사이에 비대칭 구조를 갖는 소정의 간격이 형성된다. 이와 같이 하여, 제1 부재(7)에 소정의 운동 에너지를 발생시키도록 하였다.
계속하여, 상기 제1 부재(7)의 상부에 산화베릴륨계 분산강화구리 또는 산화알루미늄계 분산강화구리의 제2 부재(9)를 부착하고, 상기 제2 부재(9) 상에 분말 또는 시트(sheet)형의 고성능 폭약(11)을 충전한 후, 상기 폭약(11)에 뇌관(13)을 접속하여 폭발 준비를 완료한다(폭약충전 단계).
이어서, 상기 뇌관(13)을 점화하여 의하여 한쪽의 폭약(11)을 폭발시키면, 충격파가 발생되고, 도 2a 내지 도 2c에 도시한 바와 같이, 상기 충격파에 의해 제1 부재(7) 및 제2 부재(9)가 모재(3)에 일정 각도로 충돌한다. 이에 따라, 내부산화된 산화베릴륨계 분산강화구리 또는 내부산화된 산화알루미늄계 분산강화구리의 제1 부재(7) 및 제2 부재(9)가 상기 모재(3)에 접합되어 판모양을 갖는 전극의 1차 재료가 되었다(폭발용접 단계).
이러한 폭발용접 단계는 극히 고속으로 행하여지므로, 충돌점 부근의 금속은 유동 상태가 되고, 충돌점의 전방에 금속 젯트분류가 발생된다. 상기 금속 젯트분류는 산화베릴륨계 분산강화구리 및 산화알루미늄계 분산강화구리의 입자 경계면의 불순물을 제거하므로, 청정 표면이 노출되고, 입자 접합 경계면의 부근에 근접한 부분만이 강하게 소성 변형을 일으키며 접합된다. 따라서, 입자 접합 경계면은 특유의 파형을 가지게 된다.
이러한 폭발용접 단계에 있어서, 상기 충격파의 폭발 압력은 상기 용접되는 제1 부재(7) 및 제2 부재(9)의 최대 강도를 확보할 수 있도록 약 340∼360MPa 이상이 되어야 한다. 본 발명에서는, 이와 같이 약 340∼360MPa 이상의 폭발 압력을 얻기 위하여 제1 부재(7) 및 제2 부재(9)의 속도는 약 450∼500m/sec가 되고, 접합점의 속도는 약 1700∼2000m/sec가 되며, 충돌각은 약 12∼14°가 되도록 하였다. 이 경우, 강한 충격파에 의하여 제1 부재(7) 및 제2 부재(9)가 충격 가압되면서 모재(3)에 폭발 용접되므로, 모놀리틱(monolithic)한 전극을 얻을 수 있다. 산화알루미늄계 분산강화구리의 입자가 버섯 모양으로 변형하는 것은, 동적 압축가압 범위의 증거이고, 이것은 각 입자 경계간의 접촉부에 유동의 국부화에 기인한 접합이 행하여 진 것을 나타낸다.
상기 폭발압착 방법에 있어서는, 대칭 구조의 방식으로 폭약의 폭발에 의하여 충격파를 발생시키고, 상기 충격파에 의한 큰 에너지를 파이프 형상의 용기 내의 분말에 전달함으로써, 분말이 봉의 형상으로 압착되도록 하였다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 폭발압착 방법에 따른 전극의 제조 방법을 나타내는 제조 공정도이다. 이 경우, 실시예에 따른 산화베릴륨계 분산강화구리 및 비교예에 따른 산화알루미늄계 분산강화구리의 폭발압착 방법에 의하여 봉 형상의 전극으로 제조하였다.
도 3a 내지 도 3c를 참조하면, 이중 구조를 갖는 원통형의 폭약 용기(21) 내에 내측 튜브(27)를 셋트한다. 또한, 분말 용기(23) 내에 전극 재료로서 산화베릴륨계 분산강화구리 및 산화알루미늄계 분산강화구리의 분말(25)을 충전하고, 분말 용기(23)의 양끝을 플러그(29a, 29b)로 밀봉한 후, 상기 분말 용기(23)를 내측 튜브(27) 내에 간격을 두고 설치하고, 지지대(31)의 위에 장착한다. 그리고, 상기 내측 튜브(27)와 폭약 용기(21)와의 사이에는 폭약(33)을 충전하고, 상기 폭약(33)의 일단에 뇌관(35)을 접속한다(폭약충전 단계).
상기 폭약충전 단계가 완료하면, 뇌관(35)을 점화하여 한쪽의 폭약(33)을 폭발시킨다. 그 결과 충격파가 발생되어, 상기 충격파의 충격 선단은 순간적인 전파속도로 내측 튜브(27)의 종방향(도 3a의 화살표 방향)으로 전달된다(폭발압착 단계). 이와 같은 폭발압착이 수행되면, 내측 튜브(27) 및 상기 내측 튜브(27) 내에 충전된 산화베릴륨계 분산강화구리 또는 산화알루미늄계 분산강화구리의 분말(25)이 등축압축되어, 이것에 의한 충격파는 상기 분말(25)의 입자간의 간격을 급속히 작게함과 동시에 입자의 표면에 충격 에너지를 급속히 전달한다.
이 현상은 단열 반응과 상당히 유사하고, 충격 에너지의 발생 및 전달이 부드럽게 행하여지는 경우, 분말(25)의 내부에 주변에서 열이 전달되어, 전극 재료의 본래의 성질이 급격하게 변화하여 용융된다. 상기 폭발압착 단계에 있어서 발생되는 충격파의 크기는, 분말(25)을 결합시키는 데 필요한 정도로 설정되므로, 분말(25)이 과도하게 용융되거나 부수적으로 발생되는 반사에 의하여 성형물에 균열이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 실험 결과에 의하면, 충격파의 전달 폭속은 약 1600∼8400m/sec 정도의 범위로 수렴할 수 있지만, 바람직하게는, 약 2000∼3000m/sec 정도의 범위로 수렴하는 것이 좋다. 또한, 상기 폭발압착 단계에 있어서, 발생되는 폭발압력은 약 5∼500kbar 정도의 범위로 수렴할 수 있지만, 바람직하게는, 약 10∼300kbar 정도의 범위로 수렴하는 것이 좋다.
그러나, 상기 폭발압착 방법에 의한 구리-0.2wt%베릴륨 합금의 내부산화된 부분은 현저한 강화 효과를 나타내지는 않았으며, 평균 경도변화는 약 130∼150MPa 정도룰 보였다. 상기 폭발압착 방법에 의한 구리-0.2wt%베릴륨 합금의 인장 강도는 대략 30MPa 정도 였으며, 약 800℃ 정도의 온도에서 단괴 형상으로 만들었을 경우, 이론치의 99.95%에 해당하는 약 150MPa까지 압축 밀도가 증가하였다. 상기 폭발압착 방법은 고강도의 전극 재료를 얻는 경우에는 적합하지 않으나, 이 후의 인발에 의한 치밀한 단괴를 얻는 데는 유용함을 보여주었다.
상기 준동적(압출) 방법에 의한 전극의 제조는 다음과 같다.
먼저, 약 500g 정도의 상기 산화베릴륨계 분산강화구리 박판(flake) 또는 산화알루미늄계 분산강화구리 박판을 압축하여 단괴 형상으로 만든다(압축단계). 이 때, 압축은 상온에서 수행되며 그 압력은 약 400∼600MPa, 바람직하게는, 약 500MPa 정도이고, 압축된 산화베릴륨계 분산강화구리 단괴 또는 산화알루미늄계 분산강화구리 단괴의 잔류 기공도(porosity)는 약 1∼15％정도가 되었다.
이어서, 상기 압축된 단괴를 전기진공유도로 내에서 약 900∼1000℃, 바람직하게는, 약 950℃ 정도의 온도에서 약 1시간 정도 유지한 후, 약 1400∼1600MPa, 바람직하게는 약 1500MPa 정도의 압력을 가하여 치밀화시킨다(치밀화 단계). 이렇게 치밀화된 단괴는 약 1％ 이하의 잔류 기공도를 갖는다.
계속하여, 전기진공유도로의 온도를 약 900∼1100℃, 바람직하게는 약 1000℃ 정도로 상승시켜 산소 분위기 하에서 상기 치밀화된 단괴를 가열한 후, 가열된 단괴를 압출하여 봉의 형상을 갖는 산화베릴륨계 분산강화구리 또는 산화알루미늄계 분산강화구리 전극 재료들을 제조하였다(압출단계).
상기 준동적 방법에 있어서, 산화베릴륨계 분산강화구리 단괴 또는 산화알루미늄계 분산강화구리 단괴를 가열하는 경우, 최종 전극 재료에 수소 취성을 야기하게 된다. 따라서, 이러한 점을 방지하기 위하여 산화베릴륨계 분산강화구리 단괴 또는 산화알루미늄계 분산강화구리 단괴에 산소를 혼입시키는 것이 요구되며, 이 때, 혼입되는 산소의 양은 단괴 제조 이전의 산화물 생성 원소의 미산화부에 존재하는 양으로부터 계산된다.
이어서, 상기 봉의 형상을 갖는 전극 재료들을 약 200∼1000℃의 온도에서 약 1∼3시간, 바람직하게는, 약 2시간 동안 풀림 열처리를 수행한다(풀림 열처리단계). 상기 풀림 열처리 단계에 있어서, 전극 재료의 미소 경도값의 변화는 풀림 처리시간에 따라 달라진다.
상기 산화베릴륨계 분산강화구리 전극 재료 및 산화알루미늄계 분산강화구리 전극 재료의 인장 시험에 따른 기계적 성질을 표 2에 나타낸다. 표 2에 나타낸 값들은 20℃, 450℃ 및 800℃에서 전극 재료들을 인장 시험한 결과이다. 하기 표 2에서 σ1은 파괴 강도, Hv 및 HRB는 경도를 나타낸다.
전극 재료 T=20℃ T=450℃ T=800℃
σ1(MPa) Hv(50Pa) HRB σ1(MPa) HRB
Cu-0.2%Al 310 110 185
Cu-0.4%Al 340 130 70 180 70
Cu-0.2%Be 400 155 75 190 70
상술한 방법에 따라 제조된 산화베릴륨계 분산강화구리 및 산화 알루미늄계 분산강화구리의 전극 재료를 사용하여 전극을 제조하였다. 하나의 전극 시료는 폭발용접 방법에 의해 전극의 블랭크(blank)를 만든 후, 이 것을 전극에 끼워 넣어 제조하였으며, 다른 하나의 전극 시료는 준동적 방법, 즉 압출 방법에 의해 만들어진 봉 형상을 갖는 재료를 전극에 끼워 넣어 제조하였다.
전극 시료의 예비 시험에 있어서, 약 1.2㎜ 두께를 갖는 알루미늄 합금판을 사용하였다. 예비 시험 결과, 내부산화된 산화베릴륨계 분산강화구리 및 산화알루미늄계 분산강화구리 전극 재료에 의한 전극이 통상의 청동에 의한 전극보다 현저하게 우수한 내마모성을 나타내었다. 각각의 크리닝(cleaning)과 용접 부재 상의 검게된 흔적에 따라 결정된 용접 타수는 구리-0.4%알루미늄 재료에 따른 전극이 통상의 청동에 의한 전극보다 약 10배 이상, 구리-0.2%베릴륨 재료에 따른 전극이 약 70배 이상의 긴 수명을 보여주었다. 특히, 구리-0.2%베릴륨 재료에 따른 전극이 다른 어떤 재료에 의한 전극보다 긴 수명을 나타내었다.
이러한 전극 재료의 구조적 및 물리기계적 제반 성질에 대한 분석 결과, 상기 구리-0.2%베릴륨 전극 재료의 우수한 특성은 동일한 체적비를 갖는 산화물상과 비교할 때, 고강도를 가지는 강화상 입자의 높은 분산도에 따라 결정된다는 것을 나타낸다. 산화베릴륨은 다른 산화물보다 높은 열 전도도 및 전기 전도도를 가진다. 산화베릴륨의 이러한 특성이 전극 사용 시의 저항 용접 계면에서의 저항을 감소시키는 원인이 된다. 베릴륨은 알루미늄과는 반응을 일으키지 않기 때문에, 구리-0.4%알루미늄 재료에 의한 전극에 비하여 구리-0.2%베릴륨 재료에 의한 전극은 전극 재료의 소모를 적게한다.
상술한 실험 결과, 구리-0.2%베릴륨 전극 재료가 알루미늄 재료의 저항 용접에 있어서 가장 적합한 전극 재료임을 발견하였다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 구리-0.2중량%베릴륨 합금 분말을 진공 중에서 풀림 열처리하고, 약 400∼500℃의 온도 및 수소 분위기 하에서 환원 처리하여 상기 구리-0.2중량%베릴륨 합금 분말로부터 산화물을 제거하며, 산화물이 제거된 구리-0.2중량%베릴륨 합금 분말을 약 400∼500℃의 온도 및 산소 분위기 하에서 가열하여 상기 구리-0.2중량%베릴륨 합금 분말의 표면을 산화시키고, 표면이 산화된 구리-0.2중량%베릴륨 합금 분말을 약 900∼1000℃의 온도 및 불활성 가스 분위기 하에서 가열하여 구리-0.2중량%베릴륨 합금 분말의 내부 베릴륨을 산화시키며, 내부의 베릴륨이 산화된 구리-0.2중량%베릴륨 합금 분말을 수소 분위기 하에서 환원 처리하여 산화베릴륨계 분산강화구리의 분말을 제조한다.
따라서, 산화베릴륨계 분산강화구리의 분말 내의 산화베릴륨의 양이 균질해지므로, 내열성, 도전성, 열전도성 및 내마모성 등의 전극 특성이 양호한 전극을 제조할 수 있다. 또한, 전극 재료에 의하여 소정 형상을 갖는 전극을 제조할 때 가공성 및 접합성을 한층 향상시킬 수 있으며, 고온 및 고압 조건하에서 용접 작업을 하는 경우에도 낮은 확산도를 유지할 수 있음과 동시에, 피용접재의 용접성을 양호하게 할 수 있다.

Claims (10)

  1. (i) 구리-0.1∼0.3중량%베릴륨 합금 분말을 진공 중에서 열처리하는 풀림 열처리 단계;
    (ii) 상기 열처리된 구리-0.1∼0.3중량%베릴륨 합금 분말을 환원 처리에 의해 산화물을 제거하여 순수한 구리-0.1∼0.3중량%베릴륨 합금 분말을 생성하는 전처리 환원 단계;
    (iii) 상기 산화물이 제거된 구리-0.1∼0.3중량%베릴륨 합금 분말을 가열하여 구리-0.1∼0.3중량%베릴륨 합금 분말의 표면을 산화시키는 제1 산화단계;
    (iv) 상기 표면이 산화된 구리-0.1∼0.3중량%베릴륨 합금 분말 내부의 베릴륨을 산화시키는 제2 산화단계; 그리고
    (v) 상기 내부의 베릴륨이 산화된 구리-0.1∼0.3중량%베릴륨 합금 분말을 수소 분위기 하에서 환원 처리를 실시하여 산화베릴륨계 분산강화구리의 분말을 형성하는 환원단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 재료의 제조 방법.
  2. 제2항에 있어서, 상기 전처리 환원 단계는 약 400∼500℃의 온도 및 수소 분위기 하에서 수행되는 것을 특징으로 하는 전극 재료의 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1 산화단계는 약 400∼500℃의 온도 및 산소 분위기 하에서 수행되는 것을 특징으로 하는 전극 재료의 제조 방법.
  4. 제2항에 있어서, 상기 제2 산화단계는 약 900∼1000℃의 온도 및 불활성 가스 분위기 하에서 수행되는 것을 특징으로 하는 전극 재료의 제조 방법.
  5. ⅰ) 구리-0.1∼0.3중량%베릴륨(Cu - 0.1∼0.3wt% Be) 합금 분말을 진공 중에서 열처리하는 풀림 열처리 단계;
    ⅱ) 상기 풀림 열처리된 구리-0.1∼0.3중량%베릴륨(Cu - 0.1∼0.3wt% Be) 합금 분말을 환원 처리에 의해 산화물을 제거하여 순수한 구리-0.1∼0.3중량%베릴륨 합금 분말을 생성하는 전처리 환원단계;
    ⅲ) 산화물이 제거된 구리-0.1∼0.3중량%베릴륨(Cu - 0.1∼0.3wt% Be) 합금 분말을 가열하여 구리­0.1∼0.3중량%베릴륨 합금 분말의 표면을 산화시키는 제1 산화단계;
    ⅳ) 상기 표면이 산화된 구리-0.1∼0.3중량%베릴륨(Cu - 0.1∼0.3wt% Be) 합금 분말을 가열하여 구리-0.1∼0.3중량%베릴륨 합금 분말의 내부 베릴륨을 산화시키는 제2 산화단계;
    ⅴ) 상기 내부의 베릴륨이 산화된 구리-0.1∼0.3중량%베릴륨(Cu - 0.1∼0.3wt% Be) 합금 분말을 수소 분위기 하에서 환원 처리하여 산화베릴륨계 분산강화구리의 분말을 형성하는 환원단계;
    ⅵ) 상기 산화베릴륨계 분산강화구리 분말을 제1 부재 및 제2 부재로 형성한 후, 모재 상부에 위치시키고, 상기 산화베릴륨계 분산강화구리 제1 부재 및 제2 부재와 거리를 두어 폭약을 충전하는 폭약충전 단계; 그리고
    ⅶ) 상기 폭약을 폭발시켜 산화베릴륨계 분산강화구리 제1 부재 및 제2 부재에 폭발 압력을 가하여 전극을 형성하는 폭발용접 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극의 제조 방법.
  6. (a) 구리-0.1∼0.3중량%베릴륨(Cu - 0.1∼0.3wt% Be) 합금 분말을 진공 중에서 열처리하는 제1 풀림 열처리 단계;
    (b) 상기 풀림 열처리된 구리-0.1∼0.3중량%베릴륨(Cu - 0.1∼0.3wt% Be) 합금 분말을 환원 처리에 의해 산화물을 제거하여 순수한 구리-0.1∼0.3중량%베릴륨 합금 분말을 생성하는 전처리 환원단계;
    (c) 상기 산화물이 제거된 구리-0.1∼0.3중량%베릴륨(Cu - 0.1∼0.3wt% Be) 합금 분말을 가열하여 구리-0.1∼0.3중량%베릴륨 합금 분말의 표면을 산화시키는 제1 산화단계;
    (d) 상기 표면이 산화된 구리-0.1∼0.3중량%베릴륨(Cu - 0.1∼0.3wt% Be) 합금 분말을 가열하여 구리-0.1∼0.3중량%베릴륨 합금 분말의 내부 베릴륨을 산화시키는 제2 산화단계;
    (e) 상기 내부의 베릴륨이 산화된 구리-0.1∼0.3중량%베릴륨(Cu - 0.1∼0.3wt% Be) 합금 분말을 수소 분위기 하에서 환원 처리하여 산화베릴륨계 분산강화구리 박판을 형성하는 환원단계;
    (f) 상기 산화베릴륨계 분산강화구리 박판을 압축하여 단괴 형상으로 만드는 압축단계;
    (g) 상기 압축된 산화베릴륨계 분산강화구리 단괴를 치밀화시키는 치밀화단계;
    (h) 상기 치밀화된 산화베릴륨계 분산강화구리 단괴를 가열하고, 상기 가열된 단괴를 압출하여 산화베릴륨계 분산강화구리 전극 재료를 제조하는 압출단계; 그리고
    (i) 상기 산화베릴륨계 분산강화구리 전극 재료를 열처리하는 제2 풀림 열처리단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극의 제조 방법.
  7. 제7항에 있어서, 상기 압축단계는 상기 산화베릴륨계 분산강화구리 박판을 상온에서 약 400∼600MPa의 압력을 가하여 압축하는 것을 특징으로 하는 전극의 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 치밀화 단계는, 상기 산화베릴륨계 분산강화구리 단괴를 전기진공유도로 내에서 약 900∼1000℃의 온도에서 약 1400∼1600MPa의 압력을 가하여 치밀화시키는 것을 특징으로 하는 전극의 제조 방법.
  9. 제7항에 있어서, 상기 압출단계는, 상기 전기진공유도로의 온도를 약 900∼1100℃로 상승시켜 산소 분위기 하에서 상기 치밀화된 산화베릴륨계 분산강화구리 단괴를 가열한 후, 상기 가열된 산화베릴륨계 분산강화구리 단괴를 압출하여 봉의 형상을 갖는 산화베릴륨계 분산강화구리 전극 재료를 제조하는 것을 특징으로 하는 전극의 제조 방법.
  10. 제7항에 있어서, 상기 제2 풀림 열처리단계는, 상기 산화베릴륨계 분산강화구리 전극 재료를 약 200∼1000℃의 온도에서 약 1∼3시간 동안 풀림 열처리하는 것을 특징으로 하는 전극의 제조 방법.
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