KR102466171B1 - 흑연-구리 복합 전극 재료 및 그 재료를 이용한 방전 가공용 전극 - Google Patents

흑연-구리 복합 전극 재료 및 그 재료를 이용한 방전 가공용 전극 Download PDF

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Abstract

실용 레벨까지 전극 소모를 저감시킬 수 있는 흑연-구리 복합 전극 재료 및 그 재료를 이용한 방전 가공용 전극의 제공을 목적으로 하고 있다. 흑연 재료로 이루어지는 기재의 기공 중에, 구리가 함침된 흑연-구리 복합 전극 재료로서, 전기 저항율이 2.5μΩm 이하, 바람직하게는 1.5μΩm 이하, 특히 바람직하게는 1.0μΩm 이하인 흑연-구리 복합 전극 재료이다. 상기 흑연 재료로 이루어지는 기재의 이방비는 1.2 이하인 것이 바람직하고, 전극 재료 중의 구리의 함침율 φ가 13% 이상인 것이 바람직하고, 상기 흑연 재료로 이루어지는 기재의 부피 밀도가 1.40 Mg/㎥ 이상 1.85 Mg/㎥ 이하인 것이 바람직하다.

Description

흑연-구리 복합 전극 재료 및 그 재료를 이용한 방전 가공용 전극 {GRAPHITE-COPPER COMPOSITE ELECTRODE MATERIAL AND ELECTRODE FOR ELECTRICAL DISCHARGE MACHINING USING SAID MATERIAL}
본 발명은, 흑연-구리 복합 전극 재료 및 그 재료를 이용한 방전 가공용 전극에 관한 것이다.
종래부터, 방전 가공용 전극 재료로서 구리(銅), 카본 재료인 흑연, 텅스텐-구리, 텅스텐-은, 흑연-구리 등의 재료 등이 이용되고 있다. 특히, 초경합금 등의 고융점의 난삭(難削) 재료의 방전 가공에는, 이들 중에서도, 텅스텐-구리, 텅스텐-은, 흑연-구리 재료가 사용되고 있다.
이들 재료는 각각 방전 가공용 재료로서의 특징을 가지고 있지만, 구리는 융점이 낮아서 고융점의 초경합금 재료의 방전 가공용 재료로서는 적합하지 않다. 텅스텐-구리 및 텅스텐-은 재료는 그 자신의 융점이 높고, 고융점에서 난삭 재료인 초경합금 재료 등의 방전 가공을 저소모로 실시할 수 있다. 그렇지만, 전극 형상으로의 기계 가공성이 부족하고, 더욱이, 재료비나 제조 비용이 흑연계 재료에 비해 매우 고가라고 하는 과제를 가지고 있었다. 흑연 단체 및 흑연-구리 재료는, 텅스텐-구리나 텅스텐-은 재료에 비해 염가이고, 기계 가공성도 뛰어나다. 그렇지만, 전극 소모가 많다고 하는 과제를 가지고 있었다.
여기서, 텅스텐-구리계 전극의 기계 가공성을 개선하는 목적으로 금속 용침법에 의해 텅스텐 분말 중에 구리를 용침하여 방전 전극을 제조하는 방법이 개시되어 있다 (하기 특허 문헌 1). 그렇지만, 상기 제조 방법에서는, 그 제법상, 구리와 텅스텐과 비율을 바꾸는 것은 어렵기 때문에, 상술한 텅스텐-구리로 이루어지는 재료의 과제를 해결할 수 없다.
또, 소결법에 의해서, 구리-텅스텐 합금을 제조하는 방법이 개시되어 있다(하기 특허 문헌 2). 그렇지만, 상기 제조 방법에서는, 전극 사이즈가 큰 경우에는 균일한 조성의 재료를 얻는 것은 어렵고, 더욱이, 성형성 개선을 위한 조제의 첨가는 오히려 방전 특성을 해치는 경우가 있다고 하는 과제를 가진다.
한편, 흑연-구리 재료에서 전극 소모가 많아지는 요인으로서는, 당해 재료를 전극으로서 이용한 경우에는, 열이 머무르기 쉽고, 아크가 발생하기 쉬워지는 것에 기인한다고 생각된다. 여기서, 이것을 개선하는 방법으로서 실리콘을 포함하는 알루미늄을 흑연 재료에 용융 함침시키는 방법이 개시되어 있다(하기 특허 문헌 3).
일본 특개평7-9264호 공보 일본 특개평8-199280호 공보 일본 특개2004-209610호 공보
그렇지만, 상기 특허 문헌 3에 나타내는 방전 가공용 전극 재료로서도, 실용 레벨까지 전극 소모를 저감시킬 수 없다고 하는 과제를 가지고 있었다.
여기서 본 발명은, 실용 레벨까지 전극 소모를 저감시킬 수 있는 흑연-구리 복합 전극 재료 및 그 재료를 이용한 방전 가공용 전극의 제공을 목적으로 하고 있다.
상기 목적을 달성하기 위해서 본 발명은, 흑연 재료로 이루어지는 기재의 기공 중에, 구리가 함침된 흑연-구리 복합 전극 재료로서, 전기 저항율이 2.5μΩm 이하인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 실용 레벨까지 전극 소모를 저감시킬 수 있다고 하는 뛰어난 효과를 달성한다.
도 1은 재료 A1~A7에 있어서의 기재의 개(開)기공율과 구리 함침율과의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 2는 재료 A1~A7에 있어서의 구리 함침율과 전기 저항율과의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 3은 재료 A1~A7에 있어서의 전기 저항율과 전극 소모율과의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 4는 재료 A1~A7에 있어서의 변수 x와 가공 속도 및 전극 소모율과의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 5는 재료 A1의 광학 현미경에 의한 단면 사진이다.
도 6은 재료 A1~A5, A8, A9, Z1 및 Z2에 있어서의 기재의 개기공율과 구리 함침율과의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 7은 재료 A1~A5, A8, A9, Z1 및 Z2에 있어서의 구리 함침율과 전기 저항율과의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 8은 재료 A1~A5, A8, A9, Z1 및 Z2에 있어서의 전기 저항율과 전극 소모율과의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 9는 재료 A1~A5, A8, A9, Z1 및 Z2에 있어서의 변수 x와 가공 속도 및 전극 소모율과의 관계를 나타내는 그래프이다.
본 발명자들은, 구리-텅스텐이나 은-텅스텐 재료에 비해 염가인 흑연-구리 재료에 대해서 상기 종래 기술의 문제점을 실용 레벨로 해결하고, 치밀하며 경량이고 전극 소모성이 실용적으로 견딜 수 있는 레벨로 억제된 구리 함침 흑연 재료를 얻기 위하여 예의 검토한 결과, 균질이고 적당한 기공율을 가지는 고온 재료인 흑연 재료에 구리를 함침한 경우, 전극의 전기 저항율이 2.5μΩm 이하 (바람직하게는 1.5μΩm 이하, 보다 바람직하게는 1.0μΩm 이하)가 되고, 이로써 전극 소모를 비약적으로 저감할 수 있는 것을 알아내고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
즉, 본 발명은, 흑연 재료로 이루어지는 기재의 기공 중에, 구리가 함침된 흑연-구리 복합 전극 재료로서, 전기 저항율이 2.5μΩm 이하인 것을 특징으로 한다.
전기 저항율이 2.5μΩm 이하인 흑연-구리 복합 전극 재료를 이용한 경우에는, 초경의 방전 가공에 있어서, 흑연-구리 복합 전극의 전극 소모율이 저감한다. 또, 텅스텐-구리, 또는 텅스텐-은을 전극으로서 사용하는 경우에 비해서, 전극 형상으로 용이하게 가공할 수 있으면서, 저비용으로 전극을 제작하는 것이 가능해진다.
상기 전기 저항율이 1.5μΩm 이하인 것이 바람직하고, 특히 상기 전기 저항율이 1.0μΩm 이하인 것이 바람직하다.
이러한 구성이라면, 상기 작용 효과가 한층 발휘된다.
상기 흑연 재료로 이루어지는 기재의 이방비(異方比)가 1.2 이하인 것이 바람직하다.
이방비가 1.2 이하인 등방성이 높은 흑연 재료(이하, 등방성 흑연 재료라고 부르는 경우가 있다)는, 절출(切出) 방향에 의한 특성 차이가 작기 때문에 설계가 용이하고 사용하기 쉽고, 더욱이 기계 가공성이 뛰어나므로 정밀한 가공이 용이해진다. 이러한 것을 고려하면, 이방비는 1.1 이하인 것이 한층 바람직하다.
또한, 이방비가 1.2 이하라는 것은, 흑연 재료에 있어서의 임의로 직각을 이루는 방향으로 측정한 전기 저항율의 비의 평균치가 1.2 이하인 것을 의미한다.
또, 등방성 흑연 재료로서는, 통상은 코크스 등의 골재에 피치 등의 바인더를 더하여 혼련한 후, 냉간등방압 가압 성형을 실시하고, 소성, 흑연화에 필요에 따라서 피치 함침, 재소성, 수지 함침, 고순도화 등의 공정을 거친, 탄소만으로 실질적으로 이루어지는 재료 내지는 탄소를 주성분으로 하는 재료로 이루어지고, 피치 함침품, 수지 함침품 등의 함침품을 포함하는 이른바 흑연화품 등의 등방성 흑연 재료를 포함한다.
하기 (1) 식으로부터 구해지는 전극 재료 중의 구리의 함침율 φ이 13% 이상인 것이 바람직하다.
φ = [(dB- dB,s)/ρCu]×100 ··· (1)
(1) 식에 있어서, dB는 전극의 부피 밀도, dB,s는 흑연 재료로 이루어지는 기재의 부피 밀도, ρCu는 구리의 비중(ρCu=8.96Mg/㎥)이다.
구리의 함침율 φ이 커지면 전극 저항값이 낮아진다. 그리고, 전극 저항값과 전극 소모율과의 사이에는, 전극 저항값이 낮아지면 전극 소모율도 낮아진다고 하는 관계가 있다. 따라서, 구리의 함침율 φ이 13% 이상으로 하면, 전극 저항값이 낮아지므로, 전극 소모율이 비약적으로 저감한다. 이러한 것을 고려하면, 전극 재료 중의 구리의 함침율 φ이 15% 이상인 것이 한층 바람직하다.
하기 (2) 식으로부터 구해지는 변수 x가 7.5 이하, 특히 6.5 이하인 것이 바람직하다.
x = (dB×φ×ρ/σB)×10 ··· (2)
(2) 식에 있어서, dB는 전극의 부피 밀도(Mg/㎥), φ는 구리의 함침율(%), ρ는 전기 저항율(μΩm), σB는 휨강도(MPa)이다.
방전 가공 전극에서는, 낮은 전극 소모율이고, 또한 높은 가공 속도가 요구된다. 각각의 요구 품질은 상반되는 특성에 의해 발현되는 경우가 많지만, 특성치로부터 구해지는 변수 x를 작은 값으로 유지함으로써, 밸런스가 잡힌 성능을 발휘시킬 수 있는 것을 본 발명자들은 알아내었다. 이러한 것을 고려하면, 변수 x의 값은, 5.0 이하인 것이 한층 바람직하다.
상기 흑연 재료로 이루어지는 기재의 부피 밀도는 1.40 Mg/㎥ 이상 1.85 Mg/㎥ 이하인 것이 바람직하다.
흑연 재료로 이루어지는 기재의 부피 밀도가 1.40 Mg/㎥ 미만인 경우에는, 기재 강도가 저하하는 경우가 있는 한편, 당해 부피 밀도가 1.85 Mg/㎥를 넘으면, 기재의 개기공율이 작아지고, 구리의 함침율이 저하하기 때문이다. 이러한 것을 고려하면, 흑연 재료로 이루어지는 기재의 부피 밀도가 1.60 Mg/㎥ 이상 1.80 Mg/㎥ 이하인 것이 한층 바람직하다.
상기 흑연 재료로 이루어지는 기재의 개기공율이 14 vol% 이상인 것이 바람직하다.
기재의 개기공율이 14 vol% 미만이 되면, 구리가 함침되기 어려워지기 때문에, 전기 저항율의 저하가 불충분하게 되거나 전극 소모율이 높아지거나 하는 경우가 있다.
상기 흑연 재료로 이루어지는 기재의 전기 저항율이 8.9μΩm 이상 19.5μΩm 이하인 것이 바람직하다.
기재의 전기 저항율이 8.9μΩm 미만이 되면, 흑연화의 진행이 높은 정도로 되어서, 흑연 기재 자체의 강도가 저하하기 때문에, 방전 가공시의 전극 소모율이 높아질 우려가 생긴다. 한편, 기재의 전기 저항율이 19.5μΩm를 넘으면, 흑연화의 진행이 낮은 정도이며, 흑연 기재 자체의 강도가 너무 높아져서, 절삭 등의 기계 가공에 의한 전극 형성이 어려워질 우려가 있다.
기재의 전기 저항율은, 보다 바람직하게는 10.0μΩm 이상이며, 더욱 바람직하게는 11.0μΩm 이상이다.
열간등방 가압법(HIP법)을 이용하여 상기 구리의 함침을 실시하는 것이 바람직하다.
당해 방법이라면, 등방성 흑연 재료 기재의 각 면에 대해서 균등하게 압력이 더해지기 때문에, 구리의 함침 중에 등방성 흑연 재료 기재가 변형하는 것을 억제할 수 있기 때문이다.
다만, 구리의 함침은 열간등방 가압법으로 한정되는 것은 아니고, 용탕 단조법 등이어도 된다.
탄화 텅스텐을 주성분으로 하는 초경을 방전 가공에 의해서 형조(型彫) 가공을 실시할 때에 이용되는 방전 가공용 전극으로서, 상술한 흑연-구리 복합 전극 재료로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
(기타 사항)
(1) HIP법에 의한 구리 함침에 있어서는, 특성을 해치지 않는 범위에서, 흑연과 구리와의 계면의 젖음성을 개선하는 함침 조제를 가하여도 된다. 이들 조제로서는, 티탄, 지르코늄, 스칸듐, 이트륨, 란탄, 하프늄 및 이들의 화합물을 예시할 수 있다. 다만, 함침 조제의 종류는 이들로 한정되는 것은 아니다.
이 경우, 함침 조제의 양은 0.5~10 중량%에 있는 것이 바람직하다. 0.5 중량% 미만에서는 젖음성의 개선을 충분히 얻을 수 없는 경우가 있고, 10 중량%를 넘으면 함침 후의 잔존 구리 합금과 구리 함침 흑연재와의 분리가 곤란하게 되는 경우가 있기 때문이다.
(2) 구리 함침은, 예를 들면 내압 용기를 이용하고, 구리 합금을 탄소제 등의 세라믹 용기(도가니)에, 등방성 흑연재를 탄소제 등의 세라믹 용기(새거(sagger))에 따로따로 넣고, 이들 도가니, 새거를 내압 용기에 장입하며, 이어서 용기 내를 함침 구리 합금의 융점보다 높은 온도로 올려서 가압 함침한다. 가압력은 수 MPa 내지 150 MPa 정도, 함침 시간은 1~60분 정도, 바람직하게는 30~60분 정도이다.
또한, 본 발명에 있어서 사용하는 구리 합금의 조성으로서는, 방전 가공 특성에 영향을 미치지 않는 범위에서, 불가피적인 불순물이 포함되어 있어도 된다.
(3) 방전 가공용 전극의 구리 함침율이 높으면 구리는 도전성이 높기 때문에, 방전 가공용 전극의 전기 저항율이 낮아지면서, 구리는 고밀도이기 때문에, 방전 가공용 전극의 부피 밀도가 높아진다. 이 때문에, 방전 가공용 전극에 있어서의 전기 저항율을 낮게 하려면, 구리 함침율을 어느 정도 높게 해야 한다. 이러한 것을 고려하면, 방전 가공용 전극의 부피 밀도의 하한은, 2.5 Mg/㎥ 이상, 특히 3.0 Mg/㎥ 이상인 것이 바람직하다. 또, 방전 가공용 전극의 구리 함침율이 높은 경우, 방전 가공용 전극의 부피 밀도가 높아지지만, 부피 밀도가 너무 높아지면 다른 특성에 악영향을 미칠 우려가 있다. 또한, 흑연 재료의 기공에 대한 구리 함침에는 한도가 있다. 이러한 것을 고려하면, 방전 가공용 전극의 부피 밀도의 상한은 4.5 Mg/㎥ 이하, 특히 4.0 Mg/㎥ 이하인 것이 바람직하다.
구리 함침율에 있어서도, 상기와 마찬가지의 이유로부터, 하한은 12.5% 이상, 특히 15% 이상인 것이 바람직하고, 상한은 35% 이하, 특히 30% 이하인 것이 바람직하다.
일반적으로, 방전 가공용 전극의 전기 저항율은 낮을수록 바람직하지만, 제로에 너무 가까워지면 다른 특성에 악영향을 미치는 경우가 있기 때문에, 하한에 있어서는 0.01μΩm 이상, 특히 0.1μΩm 이상인 것이 바람직하다. 또, 휨강도에 있어서는, 높을수록 방전 시의 전극 소모가 억제되어 바람직하기 때문에, 40 MPa 이상, 특히 60 MPa 이상인 것이 바람직하다. 다만, 휨강도가 너무 높으면 다른 특성에 영향을 주는 경우가 있으므로, 220 MPa 이하, 특히 200 MPa 이하인 것이 바람직하다.
[실시예]
이하, 본 발명의 실시예에 대해서 상술하지만, 본 발명은 이들 실시예로 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
치밀질의 등방성 흑연재 (토요탄소 주식회사 제로서, 부피 밀도 1.66 Mg/㎥, 개기공율 23.8%, 전기 저항율 11.1μΩm, 이방비 1.02)를 내압 용기에 수용하고, 1070℃에서 용융한 구리를 N2 가스로 15 MPa의 압력으로 1시간 가압 함침하여서, 구리 함침 흑연 재료를 제작하였다.
이와 같이 하여서 제작한 구리 함침 흑연 재료를, 이하, 재료 A1이라고 부른다.
또한, 상기 구리 함침 흑연 재료를 방전 가공용 전극으로 가공한 것을, 이하, 전극 A1이라고 부르는 경우가 있다. 이것은, 하기 실시예 2~실시예 9, 비교예 1, 비교예 2에서도 마찬가지이다 (예를 들면, 실시예 2의 방전 가공용 전극이라면 전극 A2가 된다).
실시예 2
등방성 흑연재로서 부피 밀도 1.66 Mg/㎥, 개기공율 23.5%, 전기 저항율 14.0μΩm, 이방비 1.03인 것을 이용한 것 외에는, 상기 실시예 1과 동일하게 하여서 구리 함침 흑연 재료를 제작하였다.
이와 같이 하여서 제작한 구리 함침 흑연 재료를, 이하, 재료 A2라고 부른다.
실시예 3
등방성 흑연재로서 부피 밀도 1.79 Mg/㎥, 개기공율 16.7%, 전기 저항율 12.6μΩm, 이방비 1.05인 것을 이용한 것 외에는, 상기 실시예 1과 동일하게 하여서 구리 함침 흑연 재료를 제작하였다.
이와 같이 하여서 제작한 구리 함침 흑연 재료를, 이하, 재료 A3이라고 부른다.
실시예 4
등방성 흑연재로서 부피 밀도 1.77 Mg/㎥, 개기공율 16.7%, 전기 저항율 18.9μΩm, 이방비 1.06인 것을 이용한 것 외에는, 상기 실시예 1과 동일하게 하여서 구리 함침 흑연 재료를 제작하였다.
이와 같이 하여서 제작한 구리 함침 흑연 재료를, 이하, 재료 A4라고 부른다.
실시예 5
등방성 흑연재로서 부피 밀도 1.78 Mg/㎥, 개기공율 15.2%, 전기 저항율 19.1μΩm, 이방비 1.03인 것을 이용한 것 외에는, 상기 실시예 1과 동일하게 하여서 구리 함침 흑연 재료를 제작하였다.
이와 같이 하여서 제작한 구리 함침 흑연 재료를, 이하, 재료 A5라고 부른다.
실시예 6
등방성 흑연재로서 부피 밀도 1.81 Mg/㎥, 개기공율 14.2%, 전기 저항율 8.9μΩm, 이방비 1.03인 것을 이용한 것 외에는, 상기 실시예 1과 동일하게 하여서 구리 함침 흑연 재료를 제작하였다.
이와 같이 하여서 제작한 구리 함침 흑연 재료를, 이하, 재료 A6이라고 부른다.
실시예 7
등방성 흑연재로서 부피 밀도 1.80 Mg/㎥, 개기공율 14.8%, 전기 저항율 15.2μΩm, 이방비 1.06인 것을 이용한 것 외에는, 상기 실시예 1과 동일하게 하여서 구리 함침 흑연 재료를 제작하였다.
이와 같이 하여서 제작한 구리 함침 흑연 재료를, 이하, 재료 A7라고 부른다.
실시예 8
등방성 흑연재로서 부피 밀도 1.78 Mg/㎥, 개기공율 15.0%, 전기 저항율 15.9μΩm, 이방비 1.05인 것을 이용한 것 외에는, 상기 실시예 1과 동일하게 하여서 구리 함침 흑연 재료를 제작하였다.
이와 같이 하여서 제작한 구리 함침 흑연 재료를, 이하, 재료 A8이라고 부른다.
실시예 9
등방성 흑연재로서 부피 밀도 1.78 Mg/㎥, 개기공율 16.1%, 전기 저항율 14.4μΩm, 이방비 1.04인 것을 이용한 것 외에는, 상기 실시예 1과 동일하게 하여서 구리 함침 흑연 재료를 제작하였다.
이와 같이 하여서 제작한 구리 함침 흑연 재료를, 이하, 재료 A9라고 부른다.
비교예 1
등방성 흑연재로서 부피 밀도 1.88 Mg/㎥, 개기공율 10.7%, 전기 저항율 8.7μΩm, 이방비 1.03인 것을 이용한 것 외에는, 상기 실시예 1과 동일하게 하여서 구리 함침 흑연 재료를 제작하였다.
이와 같이 하여서 제작한 구리 함침 흑연 재료를, 이하, 재료 Z1라고 부른다.
비교예 2
등방성 흑연재로서 부피 밀도 1.92 Mg/㎥, 개기공율 13.4%, 전기 저항율 20.0μΩm, 이방비 1.06인 것을 이용한 것 외에는, 상기 실시예 1과 동일하게 하여서 구리 함침 흑연 재료를 제작하였다.
이와 같이 하여서 제작한 구리 함침 흑연 재료를, 이하, 재료 Z2라고 부른다.
실험 1
상기 재료(전극) A1~A7에 있어서의 전기 저항율과 구리 함침율과 전극 소모율(길이 전극 소모율)을 하기에 나타내는 방법으로 조사하였으므로, 그 결과를 표 1에 나타낸다. 또, 재료 A1~A7에 있어서의 기재의 개기공율과 구리 함침율과의 관계를 도 1에, 재료 A1~A7에 있어서의 구리 함침율과 전기 저항율과의 관계를 도 2에, 및 재료 A1~A7에 있어서의 전기 저항율과 전극 소모율과의 관계를 도 3에 나타낸다.
[전기 저항율의 측정]
각 재료의 전기 저항율을, 직류 4단자법으로 측정하였다.
[구리 함침율의 산출]
전극의 부피 밀도(구리 함침 후의 부피 밀도) dB와 흑연 재료로 이루어지는 기재의 부피 밀도dB,s를 조사하고 이들 값을(1) 식에 대입함으로써, 구리 함침율을 산출하였다. 또한, ρCu는 구리의 비중(ρCu=8.96Mg/㎥)이다.
φ = [(dB- dB,s)/ρCu]×100 ··· (1)
[전극 소모율의 산출]
각 재료로 이루어지는 전극을 이용하여서, 초경합금 재료(후지다이스 주식회사 제 후지로이 D40)를 하기의 조건으로 방전 가공 하여서, 전극 소모 길이를 측정하고, 이들 값을 하기 (3) 식에 대입하여서 전극 소모율을 산출하였다.
·가공 면적: 10×4 ㎟
·전극의 지지 치구의, 가공 깊이 방향으로의 진행 거리: 2 ㎜
·사용 기종: (주)소디크 사 제 AQ35L
·극성: 정극성(正極性)
·전류 피크치: 28 (A)
·ON 타임: 5 (μsec)
·OFF 타임: 10 (μsec)
전극 소모율=(전극 소모 길이[㎜]/가공 깊이[㎜])×100 ··· (3)
재료
(전극)		 기재의 특성 구리 함침 후의 특성
부피
밀도
[Mg/㎥]		 전기
저항율
[μΩm]		 개기공율
[Vol%]		 이방비 전기
저항율
[μΩm]		 구리
함침율
[%]		 전극
소모율
[%]
A1 1.66 11.1 23.8 1.02 0.51 20.3 93.0
A2 1.66 14.0 23.5 1.03 0.61 19.5 91.5
A3 1.79 12.6 16.7 1.05 1.27 13.8 99.3
A4 1.77 18.9 16.7 1.06 1.79 15.0 100.2
A5 1.78 19.1 15.2 1.03 1.99 13.3 103.2
A6 1.81 8.9 14.2 1.03 2.06 10.7 116.8
A7 1.80 15.2 14.8 1.06 2.34 12.6 111.8
표 1 및 도 1로부터 명백한 바와 같이, 기재의 개기공율이 높을수록 구리 함침율이 높아지고 있는 것이 인정된다. 또, 표 1 및 도 2로부터 명백한 바와 같이, 구리 함침율이 높을수록 전기 저항율이 낮아지고 있는 것이 인정된다. 또한, 표 1 및 도 3으로부터 명백한 바와 같이, 전기 저항율이 낮을수록 전극 소모율이 낮아지고 있는 것이 인정된다.
실험 2
이어서, 상기 실험 1에서의 [전극 소모율의 산출]에서 나타낸 조건과 동일한 조건으로, 재료(전극) A1~A7를 이용하여서, 상술한 초경합금 재료의 가공을 실시하고, 각 재료의 가공 속도를 측정하였다. 또한, 상기 가공 속도란, 초경합금 재료를 1분간 가공하였을 때의 가공 깊이이다.
또, 재료(전극) A1~A7에 있어서의 구리 함침 후의 특성으로서 상기 실험 1에서 나타낸 전기 저항율, 구리 함침율 외에, 전극(구리 함침 후) 의 부피 밀도와 휨강도를 조사하였다. 그리고, 전극의 부피 밀도, 구리 함침율, 전기 저항율, 및 휨강도로부터, 하기 (2) 식을 이용하여서, 재료(전극) A1~A7에 있어서의 변수 x를 구하였다.
x = (dB×φ×ρ/σB)×10 ··· (2)
(2) 식에 있어서, dB는 전극의 부피 밀도(Mg/㎥), φ는 구리의 함침율(%), ρ는 전기 저항율(μΩm), σB는 휨강도(MPa)이다.
상기 휨강도는, 실온에서 인스트론형 재료 시험기를 이용하고 3점 휨시험 방법으로 측정하였다.
또한, 각 특성치를 표 2에 나타내고, 또, 재료 A1~A7에 있어서의, 변수 x와 가공 속도 및 전극 소모율과의 관계를 도 4에 나타낸다.
재료
(전극)		 구리 함침 후의 특성
부피
밀도
[Mg/㎥]		 전기
저항율
[μΩm]		 휨강도
[MPa]		 구리
함침율
[%]		 가공
속도
[㎛/min]		 전극
소모율
[%]		 변수 x
A1 3.48 0.51 76 20.3 14.0 93.0 4.73
A2 3.41 0.61 86 19.5 17.5 91.5 4.70
A3 3.02 1.27 84 13.8 16.4 99.3 6.29
A4 3.12 1.79 157 15.0 16.4 100.2 5.35
A5 2.97 1.99 123 13.3 14.2 103.2 6.57
A6 2.76 2.06 82 10.7 12.8 116.8 7.40
A7 2.93 2.34 141 12.6 16.3 111.8 6.12
표 2 및 도 4로부터 명백한 바와 같이, 재료(전극) A1~A7는 변수 x가 7.5 이하이므로, 전극 소모율 및 가공 속도의 양쪽에서 뛰어난 성능을 발휘하는 것을 알 수 있다.
또, 재료 A1에 대해서, 광학 현미경에 의한 단면 사진을 촬영하였으므로, 도 5에 나타낸다. 도 5중, 백색부가 구리, 회색부가 그래파이트, 흑색부가 공극이다. 도 5에 나타내는 바와 같이, 그래파이트 중에 구리가 균일하게 함침되어 존재하고 있는 것을 알 수 있다.
실험 3
상기 재료(전극) A1~A5, A8, A9, Z1 및 Z2에 있어서의 전기 저항율과 구리 함침율과 전극 소모율(길이 전극 소모율)을 실험 1과 동일한 방법으로 조사하였으므로, 그 결과를 표 3에 나타낸다. 다만, 방전 가공의 조건만 하기에 나타내는 바와 같이 변경하고 있다 (또한, 실험 1과 상이한 것은, 전류 피크치, ON 타임, 및 OFF 타임이다). 또, 재료 A1~A5, A8, A9, Z1 및 Z2에 있어서의 기재의 개기공율과 구리 함침율과의 관계를 도 6에, 재료 A1~A5, A8, A9, Z1 및 Z2에 있어서의 구리 함침율과 전기 저항율과의 관계를 도 7에, 및 재료 A1~A5, A8, A9, Z1 및 Z2에 있어서의 전기 저항율과 전극 소모율과의 관계를 도 8에 나타낸다.
·가공 면적: 10×4㎟
·전극의 지지 치구의, 가공 깊이 방향으로의 진행 거리 2㎜
·사용 기종: (주)소디크 사 제 AQ35L
·극성: 정극성
·전류 피크치: 60(A)
·ON 타임: 30(μsec)
·OFF 타임: 100(μsec)
재료
(전극)		 기재의 특성 구리 함침 후의 특성
부피
밀도
[Mg/㎥]		 전기
저항율
[μΩm]		 개기공율
[Vol%]		 이방비 전기
저항율
[μΩm]		 구리
함침율
[%]		 전극
소모율
[%]
A1 1.66 11.1 23.8 1.02 0.51 20.3 70.4
A2 1.66 14.0 23.5 1.03 0.61 19.5 71.4
A3 1.79 12.6 16.7 1.05 1.27 13.8 73.9
A4 1.77 18.9 16.7 1.06 1.79 15.0 74.4
A5 1.78 19.1 15.2 1.03 1.99 13.3 74.8
A8 1.78 15.9 15.0 1.05 1.43 12.9 75.3
A9 1.78 14.4 16.1 1.04 1.70 14.1 75.2
Z1 1.88 8.7 10.7 1.03 2.63 8.6 80.9
Z2 1.92 20.0 13.4 1.06 3.04 11.5 82.0
표 3 및 도 6으로부터 명백한 바와 같이, 기재의 개기공율이 높을수록 구리 함침율이 높아지고 있고, 재료 Z1, Z2 보다도 기재의 개기공율이 높은 재료 A1~A5, A8, A9에서는, 재료 Z1, Z2 보다도 구리 함침율이 높아지고 있는 것이 인정된다. 또, 표 3 및 도 7로부터 명백한 바와 같이, 구리 함침율이 높을수록 전기 저항율이 낮아지고 있고, 재료 Z1, Z2 보다도 구리 함침율이 높은 재료 A1~A5, A8, A9에서는, 재료 Z1, Z2 보다도 전기 저항율이 낮아지고 있는 것이 인정된다. 또한, 표 3 및 도 8로부터 명백한 바와 같이, 전기 저항율이 낮을수록 전극 소모율이 낮아지고 있고, 재료 Z1, Z2 보다도 전기 저항율이 낮은 재료 A1~A5, A8, A9에서는, 재료 Z1, Z2 보다도 전극 소모율이 낮아지고 있는 것이 인정된다.
실험 4
이어서, 상기 실험 3에 있어서의 [전극 소모율의 산출]에서 나타낸 조건과 동일한 조건으로, 재료(전극) A1~A5, A8, A9, Z1 및 Z2를 이용하여서, 상술한 초경합금 재료의 가공을 실시하고, 각 재료의 가공 속도를 측정하였다. 또한, 상기 가공 속도란, 초경합금 재료를 1분간 가공하였을 때의 가공 깊이이다.
또, 재료(전극) A1~A5, A8, A9, Z1 및 Z2에 있어서의 구리 함침 후의 특성으로서 상기 실험 3에서 나타낸 전기 저항율, 구리 함침율 외에, 전극(구리 함침 후)의 부피 밀도와 휨강도를 조사하였다. 그리고, 전극의 부피 밀도, 구리 함침율, 전기 저항율, 및 휨강도로부터, 하기 (2) 식을 이용하여서, 재료(전극) A1~A5, A8, A9, Z1 및 Z2에 있어서의 변수 x를 구하였다.
x = (dB×φ×ρ/σB×10 ··· (2)
(2) 식에 있어서, dB는 전극의 부피 밀도(Mg/㎥), φ는 구리의 함침율(%), ρ는 전기 저항율(μΩm), σB는 휨강도(MPa)이다.
상기 휨강도는, 실온에서 인스트론형 재료 시험기를 이용하고, 3점 휨시험 방법으로 측정하였다.
또한, 각 특성치를 표 4에 나타내고, 또, 재료 A1~A5, A8, A9, Z1 및 Z2에 있어서의, 변수 x와 가공 속도 및 전극 소모율과의 관계를 도 9에 나타낸다.
재료
(전극)		 구리 함침 후의 특성
부피
밀도
[Mg/㎥]		 전기
저항율
[μΩm]		 휨강도
[MPa]		 구리
함침율
[%]		 가공
속도
[㎛/min]		 전극
소모율
[%]		 변수 x
A1 3.48 0.51 76.0 20.3 44.5 70.4 4.73
A2 3.41 0.61 86.3 19.5 48.4 71.4 4.71
A3 3.02 1.27 84.2 13.8 40.5 73.9 6.30
A4 3.12 1.79 156.7 15.0 37.7 74.4 5.35
A5 2.97 1.99 123.2 13.3 37.4 74.8 6.38
A8 2.94 1.43 98.1 12.9 38.1 75.3 5.53
A9 3.04 1.70 112.1 14.1 40.8 75.2 6.50
Z1 2.65 2.63 84.3 8.6 36.3 80.9 7.08
Z2 2.95 3.04 140.0 11.5 33.0 82.0 7.37
표 4 및 도 9로부터 명백한 바와 같이, 재료(전극) A1~A5, A8, A9는 변수 x가 6.5 이하이므로, 전극 소모율 및 가공 속도의 양쪽에서 특별히 뛰어난 성능을 발휘하는 것을 알 수 있다.
본 발명은 방전 가공에 의해 형조 가공을 실시할 때의 전극으로서 이용할 수 있다.

Claims (12)

  1. 흑연 재료로 이루어지는 기재의 기공 중에, 구리가 함침된 흑연-구리 복합 전극 재료로서, 전기 저항율이 2.5μΩm 이하이고, 상기 기재의 개(開)기공율이 14vol% 이상이며, 하기 (1) 식으로부터 구해지는 전극 재료 중의 구리의 함침율 φ가 13% 이상인 것을 특징으로 하는 흑연-구리 복합 전극 재료.
    φ = [(dB -dB,s)/ρCu]×100···(1)
    (1) 식에 있어서, dB는 전극의 부피 밀도, dB,s는 흑연 재료로 이루어지는 기재의 부피 밀도, ρCu는 구리의 비중(ρCu=8.96Mg/㎥)이다.
  2. 흑연 재료로 이루어지는 기재의 기공 중에, 구리가 함침된 흑연-구리 복합 전극 재료로서, 전기 저항율이 2.5μΩm 이하이고, 하기 (1) 식으로부터 구해지는 전극 재료 중의 구리의 함침율 φ가 15% 이상인 것을 특징으로 하는 흑연-구리 복합 전극 재료.
    φ = [(dB -dB,s)/ρCu]×100···(1)
    (1) 식에 있어서, dB는 전극의 부피 밀도, dB,s는 흑연 재료로 이루어지는 기재의 부피 밀도, ρCu는 구리의 비중(ρCu=8.96Mg/㎥)이다.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 전기 저항율이 1.5μΩm 이하인, 흑연-구리 복합 전극 재료.
  4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 전기 저항율이 1.0μΩm 이하인, 흑연-구리 복합 전극 재료.
  5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 흑연 재료로 이루어지는 기재의 이방비(異方比)가 1.2 이하인, 흑연-구리 복합 전극 재료.
  6. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    하기 (2) 식으로부터 구해지는 변수 x가 7.5 이하인, 흑연-구리 복합 전극 재료.
    x = (dB×φ×ρ/σB)×10···(2)
    (2) 식에 있어서, dB는 전극의 부피 밀도(Mg/㎥), φ는 구리의 함침율(%), ρ는 전기 저항율(μΩm), σB는 휨강도(MPa)이다.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 (2) 식으로부터 구해지는 변수 x가 6.5 이하인, 흑연-구리 복합 전극 재료.
  8. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 흑연 재료로 이루어지는 기재의 부피 밀도가 1.40 Mg/㎥ 이상 1.85 Mg/㎥ 이하인, 흑연-구리 복합 전극 재료.
  9. 청구항 2에 있어서,
    상기 흑연 재료로 이루어지는 기재의 개(開)기공율이, 14 vol% 이상인, 흑연-구리 복합 전극 재료.
  10. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 흑연 재료로 이루어지는 기재의 전기 저항율이, 8.9μΩm 이상 19.5μΩm 이하인, 흑연-구리 복합 전극 재료.
  11. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    열간 등방 가압법(HIP법)을 이용하여서 상기 구리의 함침을 실시하는, 흑연-구리 복합 전극 재료.
  12. 탄화 텅스텐을 주성분으로 하는 초경(超硬)을 방전 가공에 의해 형조(型彫) 가공을 할 때에 이용되는 방전 가공용 전극으로서, 청구항 1 또는 청구항 2의 흑연-구리 복합 전극 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 방전 가공용 전극.
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