KR102062674B1 - 삼원계 접점 소재의 제조방법 - Google Patents

삼원계 접점 소재의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초고압 접점 소재에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 Cu-Cr-X(내열 원소) 삼원계 접점 소재에 관한 것이다. 본 발명은 크롬(Cr) 입자들과 내열 원소(X) 입자들 및 바인더를 포함하는 혼합물을 얻는 혼합 단계와, 상기 혼합물을 성형하여 성형체를 얻는 성형 단계와, 상기 성형체를 열처리하여 상기 성형체에 비해서 겉보기 부피가 10~14% 증가한 소결체를 얻는 소결 단계와, 용침법(infiltration process)을 이용하여 상기 소결체의 커켄달 공동에 구리(Cu)를 침입시키는 용침 단계를 포함하는 삼원계 접점 소재의 제조방법을 제공한다. 본 발명에 따른 삼원계 접점 소재의 제조방법에 따르면 구리(Cu)가 미세하고 균일하게 분산되어, 내아크성과 전기적 특성이 향상된 삼원계 접점 소재를 얻을 수 있다.

Description

삼원계 접점 소재의 제조방법{Manufacturing method of ternary contact material}
본 발명은 초고압 접점 소재에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 Cu-Cr-X(내열 원소) 삼원계 접점 소재에 관한 것이다.
진공 차단기는 진공 상태가 절연 내력이 좋고, 아크를 소호하기 쉽다는 점에서 착안하여, 고진공의 세라믹 절연물 용기 내에서 사고 전류를 차단하는 차단기이다. 진공 차단기는 높은 안정성과 보수 및 점검이 용이하다는 장점이 있어서, 정격 전압 3.6 ~ 36㎸ 차단기의 주류를 이루고 있다.
진공 차단기의 전기 접점으로는 Cu-Cr 이원계의 접점 재료가 널리 사용되고 있는데, 아크 시간이 긴 영역에서의 차단 성능 저하, 콘덴서 개폐 시의 투입 전류에 의한 전극 표면의 변화(표면 조직 조대화, Cr 분리)에 의해 내전압 성능 저하를 가져옴으로써 일어나는 재점호 등의 단점이 있다. 이러한 Cu-Cr 이원계의 접점 재료의 단점을 보완하기 위해서 Cu-Cr-X(내열 원소) 삼원계 접점 소재에 대한 연구가 진행되고 있다.
예를 들어, 등록특허 10-0400356에는 구리(Cu), 크롬(Cr), 내열원소(X)의 각 분말을 혼합하여 혼합 분말을 얻는 단계; 상기 혼합 분말을 성형하여 성형체를 얻는 성형 단계; 상기 성형체를 900∼1075℃ 온도에서 소결하여 소결체를 얻는 소결 단계; 상기 소결체를 0.5∼20시간 동안 1100∼1850℃의 열을 가하는 후열처리 단계를 포함하여, 구리 기지 내에 크롬 입자를 미세하고 균일하게 분포시키고, 상기 크롬 입자 내에 내열 원소를 고용화시키는 것을 특징으로 하는 진공개폐기용 구리-크롬계 접점 소재의 조직 제어 방법이 개시되어 있다.
또한, 내아크성의 향상을 위해서 Cu를 균일하게 분산시키기 위해서, 공개특허 10-2016-0013153에는 Mo와 Cr과 Cu를 포함하는 전기 접점의 제조 방법으로서, Mo 분말과 Cr 분말의 혼합 분말을 가압 성형하여 압분체를 형성하는 공정과, 용융된 Cu를 상기 압분체에 함침하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 접점의 제조 방법이 개시되어 있다. 그러나 이 방법은 Cr과 Mo의 합금의 소결 온도에 미치지 못하는 낮은 함침 온도에서 열처리 및 Cu 함침이 동시에 진행되므로, Cr-Mo 합금의 소결이 완료되지 못함으로써, 기공이 잔류하여 소재 골격이 약화될 수 있다는 문제점이 있다.
또한, 일본공개특허 2015-530789, 2015-528797, 2015-531768에는 내열 원소 분말과 Cr 분말을 혼합하는 공정과, 혼합 분말을 임시 소결하는 공정과, 임시 소결하여 얻은 내열 원소와 Cr의 고용체를 분쇄하는 고용체 분말을 얻는 공정과, 고용체 분말을 성형하는 공정과, 성형체를 본 소결해 소결물을 얻는 공정과, Cu를 용침하는 단계를 포함하는 방법이 개시되어 있다. 그러나 이 방법은 임시 소결, 고용체 를 분쇄하는 단계와 같은 추가 단계들이 필요하다는 단점이 있다.
등록특허 10-0400356 등록특허 특1995-0008375 공개특허 10-2016-0013153 일본공개특허 2015-530789 일본공개특허 2015-528797 일본공개특허 2015-531768
본 발명은 상술한 문제점을 개선하기 위한 것으로서, 구리(Cu)가 미세하고 균일하게 분산되어, 내아크성과 전기적 특성이 향상된 삼원계 접점 소재의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 크롬(Cr) 입자들과 내열 원소(X) 입자들 및 바인더를 포함하는 혼합물을 얻는 혼합 단계와, 상기 혼합물을 성형하여 성형체를 얻는 성형 단계와, 상기 성형체를 열처리하여 상기 성형체에 비해서 겉보기 부피가 10~14% 증가한 소결체를 얻는 소결 단계와, 용침법(infiltration process)을 이용하여 상기 소결체의 커켄달 공동에 구리(Cu)를 침입시키는 용침 단계를 포함하는 삼원계 접점 소재의 제조방법을 제공한다.
이러한 제조방법에 따르면, 소결 단계에서 크롬(Cr) 입자들이 내열 원소(X) 측으로 확산되면서 크롬(Cr) 위치에 커켄달 공동들이 균일하게 형성된다. 이러한 커켄달 공동들은 용침 단계에서 구리(Cu)로 채워진다. 따라서 크롬(Cr) 입자들의 입도 분포와 소결 온도를 조절하면 구리(Cu)가 균일하게 분포된 삼원계 접점 소재를 용이하게 제조할 수 있다.
또한, 상기 바인더는 스테라이트(stearate)계 바인더인 삼원계 접점 소재의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 내열 원소(X)는 몰리브덴(Mo)인 삼원계 접점 소재의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 소결 단계는 1300℃~1400℃, 수소 분위기에서 진행되는 삼원계 접점 소재의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 용침 단계는 1200℃~1500℃, 수소 분위기에서 진행되는 삼원계 접점 소재의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 소결 단계는 1300℃~1400℃, 수증기가 포함된 수소 분위기에서 진행되며, 수증기가 포함된 수소 분위기는 수소를 30℃~50℃로 유지되는 항온조를 통과시킨 후 열처리로에 투입하여 형성하는 삼원계 접점 소재의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 삼원계 접점 소재는 크롬(Cr) 5~20 중량%, 내열 원소 20~55 중량%, 구리(Cu) 40~60 중량%의 삼원계 접점 소재인 삼원계 접점 소재의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 삼원계 접점 소재의 제조방법에 따르면 구리(Cu)가 미세하고 균일하게 분산되어, 내아크성과 전기적 특성이 향상된 삼원계 접점 소재를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 삼원계 접점 소재의 제조방법의 순서도이다.
도 2와 3은 실시예 1의 소결체의 단면 사진이다.
도 4와 5는 실시예 1의 전기 접점의 단면 사진이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들에 의거하여 상세하게 설명한다. 다음에 소개되는 실시예는 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 이하 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고 도면들에서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명에 따른 삼원계 접점 소재의 제조방법의 순서도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 삼원계 접점 소재의 제조방법은 혼합 단계(S1), 성형 단계(S2), 소결 단계(S3) 및 용침 단계(S4)를 포함한다.
먼저, 혼합 단계(S1)에 대해서 설명한다.
혼합 단계(S1)는 크롬(Cr) 입자들과 내열 원소(X) 입자들 및 바인더를 혼합하여 혼합물을 얻는 단계이다. 혼합물은 크롬(Cr) 5~20 중량부, 내열 원소 20~55 중량부, 바인더 0.2~2 중량부 및 미량의 불가피한 불순물을 포함한다.
크롬(Cr)은 접점의 내아크성을 향상시키는 역할을 한다. 크롬(Cr)의 평균 입경은 45~100㎛이다. 크롬(Cr) 입자들의 평균 입경이 45㎛ 미만이면, 비표면적의 증가로 인해서 각각의 입자에서 표면에 형성된 산화막이 차지하는 비율이 지나치게 높아진다. 산화막이 차지하는 비율이 높아지면 소결 단계(S3)에서 소결을 저해하는 요인이 될 수 있으며, 전극재료의 산소함량이 증가해 전류차단 성능이 저하될 우려가 있다.
또한, 크롬(Cr) 입자들의 평균 입경이 증가함에 따라, 후술하는 소결 단계(S3)에서 크롬(Cr)과 내열 원소(X)가 고용체를 이루는 과정에서 발생하는 커켄달 공동(Kirkendall void)의 수가 적어지고 크기는 지나치게 커진다. 커켄달 공동(Kirkendall void)은 소결 단계(S3)에서 크롬(Cr)과 내열 원소(X)의 확산 계수의 차이로 크롬(Cr)이 내열 원소(X) 측으로 확산되면서 고용체를 형성하기 때문에 발생한다.
커켄달 공동은 이후의 용침 단계(S4)에서 구리(Cu)로 채워지므로, 커켄달 공동의 크기를 작고 균일하게 제어되어야, 크롬(Cr)과 내열 원소(X)의 소결체 중에 구리(Cu)가 균일하게 분포하여, 접점의 내아크성과 전기적 특성이 향상된다. 구리(Cu)가 편중된 부분은 접점이 떨어지는 과정에서 발생하는 아크에 의해서 녹을 수 있으며, 구리(Cu)가 적은 부분은 전기 전도도가 낮아진다.
내열 원소(X)는 접점을 사용한 진공 차단기의 전류차단 특성과 내아크성 및 내전압 특성이 향상시키는 역할을 한다. 내열 원소(X)로는 Mo, W, Ta, Nb, V, Zr 등이 사용될 수 있다. 내열 원소(X)의 평균 입경은 1~10㎛이다.
바인더는 성형성을 확보하기 위해서 첨가된다. 크롬(Cr) 입자들과 내열 원소(X) 입자들의 혼합물은 성형성이 좋지 않아서, 바인더를 추가하지 않고는 핸들링할 수 있는 성형강도를 확보하기 어렵다. 바인더로는 파라핀 왁스도 사용할 수 있으나, 스테라이트(stearate)계 바인더를 사용하는 것이 바람직하다.
혼합 단계는 V 믹서, 저속 볼 밀 등을 이용하여 진행할 수 있다.
다음, 성형 단계(S2)에 대해서 설명한다.
성형 단계(S2)에서는 혼합물을 금형에 장입한 후 프레스를 이용하여 압력을 가하여 성형체를 제조한다. 성형체는 원판 형태일 수 있다. 성형시 가해지는 압력은 1.5~2.5ton/㎠이 적합하다.
다음, 소결 단계(S3)에 대해서 설명한다.
소결 단계(S3)에서는 성형체를 최고온도 1300 ~ 1400℃, 수소 분위기 또는 수증기가 포함된 수소 분위기에서 1 ~ 2시간 열처리한다. 수소 분위기는 수소 100% 분위기를 의미한다.
수증기는 수소가 항온조 안에 저장되어 있는 물을 통과한 후에 열처리로의 내부로 투입되도록 하는 방법으로 공급할 수 있다. 항온조에 저장된 물의 온도가 높을수록 항온조를 통과한 수소에 포함된 수증기량이 증가한다. 수증기가 포함된 수소의 사용은 바인더의 제거를 촉진할 수 있다는 장점이 있다. 항온조를 통과한 수소가 통과하는 가스관은 적어도 항온조에 저장된 물의 온도에 비해서 높게 유지되어야 한다. 가스관 내에서 수증기가 응축되어 수소 내의 수증기 함량이 줄어드는 것을 방지하기 위함이다. 따라서 필요한 경우에는 가스관의 둘레에 히터를 설치하여 가스관을 가열할 수 있다.
항온조의 온도는 30~50℃인 것이 바람직하다. 30℃ 미만에서는 바인더 제거 효과가 적으며, 50℃를 초과하면 크롬(Cr)과 내열 원소(X)를 산화시킬 수 있기 때문이다.
이러한 조건에서 열처리를 하면 커켄달 공동의 형성에 의해서 성형체에 비해서 겉보기 부피가 10~14% 증가한 소결체를 얻을 수 있다.
소결 단계(S3)의 초기 승온 구간에서는 성형체 내에 포함되어 있는 바인더가 분해되어 제거된다. 고온 구간에서는 크롬(Cr)이 내열 원소(X) 측으로 확산하여, 크롬과 내열 원소로 이루어진 고용체를 형성한다. 그리고 성형체에서 크롬이 차지하고 있던 위치에 커켄달 공동들이 형성되면서 겉보기 부피가 증가한다. 커켄달 공동의 크기는 혼합 단계에서의 크롬의 평균 입경과 온도 및 분위기와 같은 열처리 조건에 의해서 결정된다.
소결 단계는 분위기 가스가 공급되는 연속식 열처리로 또는 비연속식 열처리로를 이용하여 진행할 수 있다.
소결 단계를 1300℃ 미만의 온도에서 진행하면, 크롬(Cr)과 내열 원소(X)가 완전히 고용되기 어려우며, 커켄달 공동이 충분히 생기지 않는다. 따라서 겉보기 부피가 충분히 증가하지 않는다.
1400℃를 초과하는 온도에서 열처리하면, 소결이 지나치게 진행되어, 겉보기 부피가 다시 감소하고, 폐기공이 형성된다. 따라서 용침 경로 및 공간이 좁아져 이후의 용침 단계(S4)에서 기지 조직의 내부로 구리(Cu)가 충분히 침투하지 못하여, 구리 함량이 설계 함량에 미달된다.
다음, 용침 단계(S4)에 대해서 설명한다.
용침 단계(S4)에서는 소결체 위에 순수한 구리(Cu) 판을 올려놓은 후 온도를 구리(Cu)의 융점(1083℃)보다 높은 1200~1500℃까지 가열하여 액상의 구리(Cu)가 소결체 내의 기공을 채우도록 한다. 용침시 분위기는 진공 또는 환원 분위기를 사용한다. 수소 분위기인 것이 가장 바람직하지만, 아르곤이나 질소와 같은 불활성 가스 분위기도 가능하다. 구리가 산화되는 것을 방지하기 위함이다.
용침 단계(S4)가 완료되면 크롬(Cr) 5~20 중량%, 내열 원소 20~55 중량%, 구리(Cu) 40~60 중량%의 삼원계 접점 소재를 얻을 수 있다.
이하, 실시예들을 상세하게 설명한다.
V 믹서에 평균 입경 45㎛의 크롬(Cr) 분말 7.6g과 평균 입경 3㎛의 몰리브덴(Mo) 분말 22.8g 및 스테라이트계 바인더 0.24g을 투입한 후 1시간가량 혼합하여 혼합물을 얻었다.
이 혼합물을 지름 25㎜의 금형에 투입한 후 2ton/㎠의 압력으로 가압 성형하여 성형체를 얻었다.
성형체를 1350℃, 수소 분위기에서 100분간 열처리하여, 도 2와 3의 사진에 나타난 바와 같이, 커켄달 공동들이 균일하게 형성된 소결체를 얻었다. 소결체는 성형체에 비해서 겉보기 부피가 약 12.5% 정도 증가하였다.
그리고 소결체 위에 구리판을 올린 후 1250℃, 수소 분위기에서 열처리하여, 커켄달 공동들을 구리로 채워 기지 조직 내에 구리가 미세하게 분산된 전기 접점을 제작하였다.
도 4와 5는 실시예 1의 전기 접점의 단면 사진이다. 도 4와 5에 도시된 바와 같이, 실시예 1의 전기 접점은 크롬(Cr)과 몰리브덴(Mo)의 고용체로 이루어진 골격에 구리(Cu)가 미세하고 균일하게 분산된 미세구조를 갖는다.
실시예 1과 동일한 성형체를 1350℃, 수증기를 포함한 수소 분위기에서 100분간 열처리하여, 커켄달 공동들이 균일하게 형성된 소결체를 얻었다. 항온조의 온도는 30℃로 설정하였다. 소결체는 성형체에 비해서 겉보기 부피가 약 12% 정도 증가한다.
소결체 위에 구리판을 올린 후 1350℃, 수소 분위기에서 열처리하여, 커켄달 공동들을 구리로 채워 기지 조직 내에 구리가 미세하게 분산된 전기 접점을 제작하였다.
이상에서 설명된 실시예는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한 것에 불과하고, 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상과 특허청구범위 내에서 이 분야의 당업자에 의하여 다양한 변경, 변형 또는 치환할 수 있을 것이며, 그와 같은 실시예들은 본 발명의 범위에 속하는 것으로 이해되어야 한다.

Claims (7)

  1. 크롬(Cr) 입자들과 내열 원소(X) 입자들 및 바인더를 포함하는 혼합물을 얻는 혼합 단계와,
    상기 혼합물을 성형하여 성형체를 얻는 성형 단계와,
    상기 성형체를 열처리하여 상기 성형체에 비해서 겉보기 부피가 10~14% 증가한 소결체를 얻는 소결 단계와,
    용침법(infiltration process)을 이용하여 상기 소결체의 커켄달 공동에 구리(Cu)를 침입시키는 용침 단계를 포함하는 삼원계 접점 소재의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 바인더는 스테라이트(stearate)계 바인더인 삼원계 접점 소재의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 내열 원소(X)는 몰리브덴(Mo)인 삼원계 접점 소재의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 소결 단계는 1300℃~1400℃, 수소 분위기에서 진행되는 삼원계 접점 소재의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 용침 단계는 1200℃~1500℃, 수소 분위기에서 진행되는 삼원계 접점 소재의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 소결 단계는 1300℃~1400℃, 수증기가 포함된 수소 분위기에서 진행되며, 수증기가 포함된 수소 분위기는 수소를 30℃~50℃로 유지되는 항온조를 통과시킨 후 열처리로에 투입하여 형성하는 삼원계 접점 소재의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 삼원계 접점 소재는 크롬(Cr) 5~20 중량%, 내열 원소 20~55 중량%, 구리(Cu) 40~60 중량%의 삼원계 접점 소재인 삼원계 접점 소재의 제조방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR102319995B1 (ko) * 2020-09-18 2021-11-01 한국생산기술연구원 전기접점소재 제조방법
KR20240035141A (ko) 2022-09-08 2024-03-15 채예석 진공 차단기용 접점부재

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KR102319995B1 (ko) * 2020-09-18 2021-11-01 한국생산기술연구원 전기접점소재 제조방법
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