KR100400354B1 - 진공개폐기용 구리-크롬계 접점 소재 제조 방법 - Google Patents

진공개폐기용 구리-크롬계 접점 소재 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 진공개폐기용 구리-크롬계 접점 소재 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 차단 특성은 우수하나 제단 특성이 좋지 않은 구리(Cu)와 재단 특성은 우수하나 차단 특성이 열악한 크롬(Cr)이 결합된 이상적인 진공개폐기용 구리-크롬계 접점 소재 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명은 Cu 분말과 Cr 분말이 혼합된 혼합분말을 금형에 넣고 가압하여 성형체를 제조하는 단계와; 상기 성형체를 상기 Cu의 융점 이하의 온도에서 고체 상태로 소결하는 고상 소결법과 상기 Cu의 융점 이상의 온도에서 액체 상태로 소결하는 액상 소결법 중에서 적어도 어느 한 소결법으로 소결하는 단계를 포함함으로써, 결함이 없고 내부 조직이 균일한 것을 특징으로 한다.

Description

진공개폐기용 구리-크롬계 접점 소재 제조 방법{Fabrication Method of Cu-Cr Contact Materials for Vacuum Switches}
본 발명은 진공개폐기용 구리-크롬계 접점 소재 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 차단 특성은 우수하나 제단 특성이 좋지 않은 구리(Cu)와 재단 특성은 우수하나 차단 특성이 열악한 크롬(Cr)이 결합된 이상적인 진공개폐기용 구리-크롬계 접점 소재 제조 방법에 관한 것이다.
진공개폐기는 차단 성능과 절연 특성이 우수할 뿐만 아니라 수명이 길고, 보수의 필요성이 없어 유지비가 저렴하며, 구조가 비교적 단순하여 장치의 크기를 줄일 수 있고, 환경 친화적이며, 외부 환경의 영향을 받지 않는다는 장점 때문에 각종 배전 설비, 산업용 동력 설비, 국방/교육/과학연구용 중전압 진공 차단기에 널리 사용되고 있다.
이와 같이 여러 용도에 사용되고 있는 진공개폐기의 성능은 전류 차단 시 접점 표면에 발생되는 아크 특성에 의해 결정되고, 아크 특성은 접점 재료의 특성에 의해 결정된다. 따라서, 접점 재료는 진공개폐기의 성능을 결정하는 가장 중요한 인자 중의 하나이다(Paul G. Slade: The Vacuum Interrupter Contact, IEEE Transaction on Components, Hybrids, and Manufacturing Technology, Vol. CHMT-7 (1984) pp. 25).
진공개폐기의 접점 소재로써 그 기능을 제대로 수행하기 위해서 접점 재료는 다음과 같은 서로 상반되는 여러 가지 특성들이 만족하여야 한다. 즉, 접점 재료에 요구되는 주요 특성으로는 (1) 차단용량이 클 것, (2) 절연 전압이 높을 것, (3) 접촉 저항이 낮을 것, (4) 내용착 특성이 우수할 것, (5) 접점의 소모량(마모량)이 적을 것, (6) 재단 전류 값이 낮을 것, (7) 가공성이 우수할 것, (8) 충분한 기계적 강도를 가질 것 등이다(Furushawa et al. US Patent 5,853,083 (1998); T. Seki, T. Okutomo, A. Yamamoto, T. Kusano, Conatact Materials for Vacuum Valve and Method of Manufacturing the Same, United State patent 5,882,488 (1999); E. Naya, M. Okumura, Conatact for Vacuum Interrupter, United State patent4,870,231 (1989); F. Heitzinger, H. Kippenberg, Karl E. Saeger, and Karl-Heinz Schrder, Contact Materials for Vacuum Switching Devices, IEEE Transations on Plasma Science, Vol. 21, No. 5, (1993) pp. 447).
진공개폐기용 Cu-Cr 접점 재료의 제조에 관한 연구는 1970년대 이전까지는 미국과 영국에 의해 주도되었으나 80년대 이후 유럽과 일본 등의 국가에서도 본격적인 연구를 수행하여 현재는 전세계적으로 널리 사용되고 있다. 특히, 1980년까지는 차단기 제조 업체 중 Westinghouse, English Electric, Siemens, Mitsubishi 등 4개 회사만이 Cu-Cr계 접점 소재를 상업용 진공차단기에 사용하였으나 1980년대 이후 Cu-Cr계 합금의 특성이 획기적으로 향상됨에 따라 1990년대부터 시판되고 있는 대부분의 상업용 중전압/대전류 차단기에는 Cu-Cr계 접점 재료가 사용되고 있다(Paul E. Slade, IEEE Transactions on Components, Packaging. and Manufacturing Technology―Part A, Vol 17, No 1 (1994) pp. 96).
Cu는 Cr을 극히 소량 고용하기 때문에 Cu-Cr계 합금은 우수한 열적·전기적 특성을 갖는다. 그러나, 사용 온도가 Cu의 융점(1083℃) 이상으로 상승하면 Cu 기지 내의 Cr의 용해도는 급격히 상승한다. 따라서, 진공개폐기의 개폐 시 발생되는 아크에 의해 접점의 접촉면에 액상층이 형성되고, 온도가 상승함에 따라 큰 Cr 입자들이 계속 용해되기 때문에 넓은 온도 범위에서 균일한 액상층이 형성된다.
한편, Cr 성분이 포화된 Cu 액상이 응고(냉각)될 때 고용 한계 이상의 Cr 성분은 Cu 기지 내에 미세한 Cr 입자들로 균일하게 석출된다. 이 때의 미세한 Cu-Cr 조직의 영향으로 열점(hot spots)의 발생이 억제되어 단락된 전극 사이의 절연 특성이 빠르게 회복되고, 대단히 높은 단락 전류 하에서도 아크의 냉각 특성이 우수하다. Cu-Cr계 접점재료가 중전압 영역에서 나타내는 우수한 차단 특성은 바로 개폐 시 형성되는 이러한 미세 조직 특성에 기인한다. Cu-Cr계 접전 재료가 갖는 장점 중의 하나는 Cr 성분(증기)이 아크 발생 시 방출되는 산소와 쉽게 결합(산화)함으로써 진공 밸브 내부의 진공도가 항상 고진공 상태로 유지된다는 점이다. 그러나 Cu-Cr계 접점 재료는 Cr의 높은 산소 친화성과 용융점 근처에서의 Cu의 높은 증기압 때문에 특성이 우수한 Cu-Cr계 접점 재료를 제조하는 것이 용이하지 않다.
우수한 전류 차단 특성, 높은 절연 강도, 뛰어난 내용착성, 낮은 제단 전류 특성이 요구되는 진공스위치용 접점 재료는 순도가 높아야할 뿐만 아니라 조직이 균일하여야 한다(H. Kippenberg, Karl E. Saeger, and Karl-Heinz Schrder, Contact Materials for Vacuum Switching Devices, IEEE Transations on Plasma Science, Vol. 21, No. 5, (1993) pp. 447).
중전압용 진공개폐기 접점재료로는 Cr 함량이 25∼75% 범위인 Cu-Cr계 합금이 주로 사용되어 왔다. Cu-Cr계 접점 재료의 제조에는 직경이 160㎛ 이하인 Cr 분말이 주로 사용되고 있다. Cu-Cr계 접점 재료는 소결법, 용침법, 아크 용해법에 의해 제조되고 있다(H. Kippenberg, Proc. 13th Int. Conf. on Electric Contacts, Zurich: Schweiz Elektroteknischer Verein (1986) pp. 386).
소결법의 경우 Cu 분말과 Cr 분말을 균일하게 혼합한 후 혼합 분말을 금형에 넣고 가압하여 성형체를 만든다. 성형체를 수소 또는 진공 분위기 하에서 고상 상태 또는 액상 상태에서 소결한다.
용침법에서는 원하는 크기를 갖는 Cr 분말 또는 Cu-Cr 혼합 분말을 가압하여 성형체를 제조한 후 수소 또는 진공 분위기에서 1차 예비 소결한다. 일정한 강도를 갖게된 Cr 또는 Cu-Cr 예비 소결체 위에 Cu 판(또는 조각)을 얹은 후 Cu의 용융 온도 이상으로 온도를 높여주면 용융된 Cu가 모세관 현상에 의해 예비 소결체 내부로 빨려 들어가 Cu-Cr계 접점재료가 만들어진다.
아크 용해법에서는 Cu와 Cr 분말을 혼합하여 원하는 모양/크기의 전극으로 성형 및 가소결하여 Cu-Cr 전극을 만든 후 아크로 녹여 가능한 편석이 적게 생기도록 급랭하여 Cu-Cr 잉고트(ingot)를 제작한다. 제작된 잉고트를 원하는 크기로 절단하여 접점재료를 제조한다.
그러나, 종래의 소결법은 치밀한 소결밀도를 얻기 위해서 성형체를 비교적 저온에서 1차소결한 다음 냉각하여 프레싱한 후 1차소결온도보다 높은 온도에서 2차소결하기 때문에 공정이 복잡할 뿐 아니라 생산성이 저하되어 제조단가가 높다고 하는 문제점이 있다. 더욱이, 이러한 소결법에 의할 경우에는 Cr의 함량이 50%를 초과하면 원료의 혼합과정에서 균일한 혼합(mixing)이 곤란하여 소결체의 균일도가 불량하게 될 우려가 있다.
한편, 용침법으로 Cu-Cr 접점 재료를 제조할 경우 Cr 함량이 낮은 합금을 제조하는 것이 불가능할 뿐만 아니라 합금 조성을 정확하게 제어하기가 힘들고, 아크 용해법의 경우 합금 조성과 미세 조직이 국부적으로 불균일해질 뿐만 아니라 균열이 발생될 가능성이 높다는 문제점이 있다(W. F. Rieder, M. Schussek, W. Slatzle, and Erich KNY, The influence of Composition and Cr particle Size ofCu/Cr Contacts on Chopping Current, Contact resistance, and Breakdown Voltage in Vacuum interruters, IEEE Transactions on Components, Hybrids. and Manufacturing Technology, Vol 12, No 2 (1989) pp. 273).
따라서, 본 발명은 이러한 종래 기술의 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 그 목적은 소결법을 이용하여 Cr함량에 대한 제한 없이도 Cu 기지 내에 Cr 입자가 균일하게 분산된 소결 조직을 갖도록 함으로써 건전한 Cu-Cr계 접점 재료를 제조할 수 있는 진공개폐기용 구리-크롬계 접점 소재 제조 방법을 제공하는데 있다.
도 1은 본 발명에 의하여 Cu-Cr 접점 재료를 제조하기 위한 소결공정을 나타내는 열처리 곡선.
도 2는 본 발명에서 제조한 Cu-25%Cr 접점 재료의 미세 조직을 나타내는 사진.
도 3은 본 발명에서 제조한 Cu-50%Cr 접점 재료의 미세 조직을 나타내는 사진.
도 4는 본 발명에서 제조한 Cu-75%Cr 접점 재료의 미세 조직을 나타내는 사진.
본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위하여, 구리(Cu) 분말과 크롬(Cr) 분말이 혼합된 혼합분말을 금형에 넣고 가압하여 성형체를 제조하는 단계와 상기 성형체를 상기 구리(Cu)의 융점 이하의 온도에서 고체 상태로 소결하는 고상 소결하는 단계와 상기 고상소결체를 상기 구리(Cu)의 융점 이상의 온도까지 승온하여 액상 소결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 진공개폐기용 구리-크롬계 접점 소재의 제조 방법을 제공한다.
본 발명에서의 Cu-Cr계 접점 재료 제조에 관한 세부 공정은 다음과 같다.
먼저, 미리 설정된 Cu-Cr 접점 재료의 조성(예를 들면, Cu-25%Cr, Cu-50%Cr, Cu-75%Cr)에 맞게 Cu 및 Cr 분말을 칭량한 다음 V자형 혼합기 또는 저속 볼밀을 사용하여 Cu 및 Cr 분말을 균일하게 섞는다.
혼합분말을 금형에 장입한 후 가압하여 성형체를 제조한다.
제조된 성형체는 본 발명에 따라 이른바, 2단소결법에 의해 소결체를 제조하게 되는데, 우선 Cu의 융점(1083℃)이하의 온도에서 1차고상소결을 하여 성형체내부의 기공율을 감소시키고, 이어서 Cu의 융점이상의 온도까지 가압공정의 수반없이 바로 승온하여 Cu의 일부가 용해되는 온도에서 액상소결을 수행한다. 이렇게 하면 고상소결에 의한 소결체에 잔류하던 기공으로 Cu의 액상이 모세관 현상에 의해 채워지게 되므로 치밀화된 소결체를 얻는 것이 가능하다.
소결 분위기는 Cr 분말 표면의 산화 피막을 제거하고 소결 도중 Cr 분말이 산화되는 것을 방지하기 위하여 진공 또는 수소 분위기를 사용하였다.
본 발명에 있어서, 고상 소결의 온도 범위는 소결체의 소결밀도를 고려하여 950∼1075℃가 바람직하고, 액상 소결의 온도 범위는, 생성되는 Cu의 액상의 양을 고려하여, 1100∼1250℃가 좋다.
Cu-Cr 접점 소재를 제조하는 기존의 분말 야금법에서는 Cu-Cr 성형체를 1차 고상 소결하고, 1차 소결체를 다시 가압 처리한 후 고상 또는 액상 온도 구간에서 2차 소결하기 때문에 공정이 복잡하고 시간이 많이 소요된다는 단점이 있으나 중간 공정이 없는 본 발명의 경우 Cu-Cr 소결체의 제조 공정이 단순하고 시간이 적게 소요된다는 장점이 있다.
(실시예)
다음의 실시예들은 본 발명의 내용 및 특징을 명확하게 보여줄 것이다.
<실시예 1>
Cu 분말과 Cr 분말이 혼합된 혼합분말(Cu-25%Cr, Cu-50%Cr, Cu-75%Cr)을 금형(die)에 넣고 1.75ton/㎠ 이상의 압력으로 가압하여 상대밀도가 75% 이상인 직경 25㎜인 성형체를 제조하였다.
분말 성형체를 고상 소결(900∼1075℃) 및 액상 소결(1100∼1250℃) 온도에서 소결하였다. 소결 시간은 0.5시간 이상이었으며, 소결 분위기는 순도 99.99% 이상의 수소 분위기를 사용하였다.
도 1을 참조하여 고상/액상 소결을 설명하면, 상기 성형체를 분당 5℃의 승온 속도로 950∼1075℃(구리의 융점 온도 이하 범위)까지 상승시켜서 1∼4시간 동안 고상 소결한다.
상기 고상 소결 후, 분당 10℃의 승온 속도로 1100∼1250℃(구리의 융점 온도 이상 범위)까지 상승시켜서 약 2시간 동안 소결시킨 후 냉각시켜서 소결 과정을 종료한다.
도 2, 도 3, 도 4는 본 발명의 소결법으로 제조한 Cu-25%Cr, Cu-50%Cr, Cu-75%Cr 접점 재료의 소결 조직을 나타내는 광학 현미경 사진이다.
본 발명의 소결법으로 제조한 Cu-Cr 소결체는 상대 소결 밀도가 98% 이상이었으며, Cr 입자들이 Cu의 기지 내에 균일하게 분산되어 있을 뿐만 아니라 기공이 없는 균일한 미세 조직을 나타내고 있었다.
한편, 도 2, 도 3, 도 4의 소결 조직을 자세히 살펴보면 Cu 기지 내에 분산되어 있는 Cr 입자들의 모양이 상당히 구형화되어 있다. 이와 같은 Cr 입자의 구형화는 전기장(electric field)의 집중원(localization site) 현상을 제거하기 때문에 Cu-Cr 접점 재료의 차단 특성 향상을 가져오게 된다. 따라서 본 발명의 소결법으로 제조된 Cu-Cr 접점 재료는 종래의 소결법으로 소결한 Cu-Cr 합금보다 더욱 우수한 전류 차단 특성 및 절연 파괴 전압을 나타낼 것으로 기대된다.
<실시예 2>
원료분말로써, 고순도 Cr 분말을 사용하거나 Cr 분말의 표면에 형성된 산화물을 소결 전 또는 소결 온도에 도달하기 이전에 적절한 전처리를 통하여 제거한 다음, 실시예 1의 방법에 의해 Cu-Cr 소결체를 제조하였으며, 이 경우 Cr 성분이 Cu 기지 내에 포화되도록 소결 시간을 충분히 유지한 다음 냉각하면 Cu 기지 내에 포화되어 있던 Cu 성분이 미세한 α-Cr 입자로 석출되었슴을 확인하였다.
미세한 Cr 입자의 석출에 의해 Cu가 차지하는 면적(Cr 입자 사이 즉, Cu가 차지하는 면적)을 감소시켜 전류 차단 시 발생되는 열점(hot spot)이 Cu 기지 내에 위치할 가능성을 줄임으로써 아크의 재발생 확률을 줄임으로써 차단 특성의 향상을 가져온다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명에 의해 Cr 함량 25∼75%인 Cu-Cr계 접점 재료를 제조할 수 있고, 고상/액상 2단 소결법으로 제조한 Cu-Cr계 접점 재료는 상대 소결 밀도는 98% 이상으로 유지되어 기공이 없는 균일한 미세 조직을 갖고 있으며, 이에 따라서 우수한 전류 차단 특성 및 절연 파괴 전압을 나타낸다. 특히, 소결체 제조 공정이 단순하고 시간이 적게 소요된다는 장점이 있다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예로 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

Claims (8)

  1. 구리(Cu) 분말과 크롬(Cr) 분말이 혼합된 혼합 분말을 금형에 넣고 가압하여 성형체를 제조하는 단계와;
    상기 성형체를 상기 구리(Cu)의 융점 이하의 온도 900∼1075℃에서 소결하여 고상 소결체를 얻는 고상 소결 단계와;
    상기 고상 소결체를 상기 구리(Cu)의 융점 이상의 온도 1100∼1250℃까지 승온시켜 소결시키는 액상 소결 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 진공개폐기용 구리-크롬계 접점 소재의 제조 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서, 상기 크롬분말은 전처리를 통하여 피막산화물을 제거한 것임을 특징으로 하는 진공개폐기용 구리-크롬계 접점 소재의 제조 방법.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 고상 소결 단계 및 액상 소결 단계에서의 소결 분위기는 비산화성 분위기임을 특징으로 하는 진공개폐기용 구리-크롬계 접점 소재의 제조 방법.
  7. 삭제
  8. 삭제
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