KR20020044751A - 진공개폐기용 구리-크롬계 접점 소재의 조직 제어 방법 및그 방법으로 제조된 접점 소재 - Google Patents

Abstract

본 발명은 Cu-Cr계 접점 재료에 내열성 원소를 첨가함으로써 대전류 차단 특성과 절연 파괴 전압 특성이 우수한 진공개폐기용 Cu-Cr계 접점 소재를 제조하기 위한 진공개폐기용 구리-크롬계 접점 소재의 조직 제어 방법 및 그 방법으로 제조된 접점 소재에 관한 것으로, 구리-크롬계 접점 소재의 제조 방법에 있어서, 기지 소재로 이용되는 구리(Cu)와, 접점 소재의 전기적 특성을 향상시켜 주는 크롬(Cr) 및 기지 내의 크롬 입자를 미세하게 해 주는 내열 원소에 대한 각각의 분말이 혼합된 혼합 분말을 얻는 단계와; 상기 혼합 분말을 소결법, 용침법, 가압 성형법 중에서 선택된 어느 한 방법으로 처리하여 소결체를 얻는 단계를 포함하여 이루어진다.

Description

진공개폐기용 구리-크롬계 접점 소재의 조직 제어 방법 및 그 방법으로 제조된 접점 소재{Methods of Microstructure Control for Cu-Cr Contact Materials for Vacuum Interrupters and Contact Materials Manufactured Thereby}

본 발명은 진공개폐기용 구리-크롬계 접점 소재의 조직 제어 방법 및 그 방법으로 제조된 접점 소재에 관한 것으로, 보다 상세하게는 Cu-Cr계 접점 재료에 내열성 원소를 첨가함으로써 대전류 차단 특성과 절연 파괴 전압 특성이 우수한 진공개폐기용 Cu-Cr계 접점 소재를 제조하기 위한 진공개폐기용 구리-크롬계 접점 소재의 조직 제어 방법 및 그 방법으로 제조된 접점 소재에 관한 것이다.

일반적으로, 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 진공차단기에 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. 접점 재료에 요구되는 주요 특성으로는 (1) 차단 용량이 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 patent 4,870,231 (1989); F. Heitzinger, H. Kippenberg, Karl E. Saeger, and Karl-Heinz Schrder, Contact Materials for Vacuum Switching Devices, IEEETransations on Plasma Science, Vol. 21, No. 5, (1993) pp. 447).

진공개폐기용 Cu-Cr 접점 재료의 개발 및 제조에 대한 연구는 1970년대 이전까지는 미국과 영국에 의해 주도되었으나 80년대 이후 유럽과 일본 등의 국가에서도 본격적인 연구를 수행하여 현재는 전세계적으로 널리 사용되고 있다. 특히, 1980년까지는 차단기 제조업체 중 Westinghouse, English Electric, Siemens, Mitsubishi 등 4개 회사만이 Cu-Cr계 접점소 재를 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).

최근 접점 재료의 사용 조건이 더욱 가혹해지고, 사용 범위가 기존의 차단 회로에서 리액터 회로와 축전 회로 영역까지 확장됨에 따라 기존 Cu-Cr계 접점 재료보다 우수한 전류 차단 특성과 절연 전압 특성을 갖는 Cr-Cu계 접점 재료에 대한 수요가 증가하고 있다. 즉, 축전 회로의 경우 일반 회로보다 전압이 2 배 이상 높고, 보다 우수한 내전압 특성을 요구하는 유입 전류(inrush current)가 통과되는 회로에서는 아크의 재점호가 심각한 문제로 대두되었다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서는 Cu-Cr계 접점 재료의 전류 차단 특성과 절연 전압 특성을 향상시키는 것이 필요하다.

Cu-Cr계 접점 재료의 특성을 향상시키기 위해서는 Mo, W, Nb, Ta, V, Zr 등의 내열 금속 함량을 증가시키고 내부 조직을 균일화하며 Cr 입자 크기를 미세화하는 것이 필요하다.

기존의 접점 제조 방법에서는 Cr 입자 크기가 미세한 Cu-Cr계 접점 재료를 얻기 위하여 입자 크기가 약 40㎛인 크롬(Cr) 분말을 원료로 사용하여 왔다(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)).

그러나, 미세한 Cr 분말은 Cu-Cr계 접점 재료의 제조 원가를 증가시키는 단점이 있을 뿐만 아니라 미세한 Cr 분말 표면에 치밀한 Cr 산화물이 형성되어 산소의 농도가 높아지는 단점이 있다. 따라서, 조대한 Cr 원료 분말로부터 Cu 기지 내에 입자 크기가 미세한 Cr 입자들이 분산되어 있는 Cu-Cr계 접점 재료를 제조하기 위해서는 합금원소 첨가에 의한 조직제어 기술의 개발이 필요하다.

다시 말하면, Cu-Cr 접점 재료에 Mo, W, Ta, Nb, V, Zr 등의 원소가 첨가되거나 크롬 입자가 미세화되면 진공차단기의 전류차단 특성과 절연파괴 전압 특성이 향상된다는 사실로부터 Cu-Cr 접점재료 제조에 크롬 입자 크기가 약 40㎛인 미세한 크롬분말이 사용하고 있다. 그러나, 크기가 미세한 Cr 분말을 원료로 사용하는 것은 Cu-Cr 접점 재료의 제조 공정을 복잡하게 하고 제조단가를 높이는 단점이 있다.

이러한 단점을 극복하기 위하여 조대한 Cr 분말을 원료로 사용하면서도 미세한 Cr 입자를 갖는 Cu-Cr계 접점재료를 제조하기 위한 조직제어 기술이 필요하다.

따라서, 본 발명은 이러한 종래 기술의 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 그 목적은 결함이 없는 건전한 조직을 갖도록 함으로써 차단 성능과 절연 특성이우수한 진공개폐기용 Cu-Cr계 접점 재료를 제조할 수 있는 진공개폐기용 구리-크롬계 접점 소재의 조직 제어 방법 및 그 방법으로 제조된 접점 소재를 제공하는데 있다.

도 1은 본 발명에 따른 Cu-Cr계 접점재료를 제조하기 위한 소결공정의 열처리 곡선.

도 2는 본 발명에 의해 제조된 Cu-25%Cr-5%Mo 접점 재료의 조직사진.

도 3은 본 발명에 의해 제조된 Cu-25%Cr-10%W 접점 재료의 조직사진.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 Cu-Cr계 접점 재료의 특성을 향상시키기 위하여 W, Mo, Ta, Pt, Nb, V, Zr 등의 내열 금속을 첨가하였으며, 미세조직 제어 기술을 통하여 크롬 입자를 미세화 하였고, 크롬 원자와 참가 원소들(W, Mo, Ta, Nb, V, Zr 등)의 합금화를 촉진시켜 구리 기지 조직 내부에 미세한 Cr-X(W, Mo, Ta, Nb, V, Zr 등 첨가 원소들을 고용하고 있는 크롬) 입자들의 석출을 증진시켰다.

본 발명에 의하여 제조된 Cu-Cr접점 재료는 W, Mo, Ta, Nb, V, Zr 등의 첨가 원소 효과, 크롬 입자의 미세화 효과, 크롬과 첨가 원소의 합금화 효과 등이 중첩되어 있다. 따라서, 본 발명의 Cu-Cr 접점 재료는 기존의 Cu-Cr 접점 재료보다 우수한 대전류 차단 특성과 내전압 특성을 나타내는 것이다.

본 발명의 Cu-Cr 접점 재료는 소결법, 용침법, 고온 가압법 등에 의하여 제조될 수 있으며, 상기 합금원소의 첨가 목적은 두 가지이다.

첫째는 Mo, W, Ta, Nb, V, Zr 등과 같은 원소를 첨가하여 Cu-Cr접점 재료의 차단 특성과 절연 전압 특성을 향상시키는 것이고, 둘째는 첨가 원소를 이용하여 Cu 기지 내에 존재하는 Cr 입자 크기를 미세화하는 것이다.

본 발명에서는 다음과 같은 제조 공정 및 조직제어 기술을 통하여 직경40∼60㎛의 Cr 입자들이 분산된 Cu-Cr재료를 제조하였다. Cu-Cr접점 재료 제조에 사용한 원료 분말의 입자 직경은 각각 Cr 200∼300㎛, Mo 4㎛, W 4㎛, Ta 45㎛, Nb 45㎛, V 50㎛ 이었다.

본 발명의 Cu-Cr 접점 재료의 화학 조성 범위(무게비)는 다음과 같다.

Cu 20∼80%, Cr 10∼80%, Mo 0.001∼80%, W 0.001∼80%, Ta 0.001∼80%, Nb 0.001∼80%, V 0.001∼80%.

상기와 같은 조성으로 접점 재료 제조가 가능한 공법으로는 용침법, 소결법, 가압 성형법 등이 있다.

1. 용침법 : Cr 분말과 합금원소 분말 또는 Cr과 합금원소 분말에 소량의 Cu 분말이 혼합된 분말을 V자형 혼합기(V-mixer) 또는 저속 볼밀(ball mill)을 사용하여 균일하게 혼합한 후 600∼1070℃의 온도에서 1차 소결하여 다공질의 소결체를 얻었다(예비 소결).

Cr-합금원소 또는 Cr-합금원소-Cu 예비 소결체 위에 순수 Cu 판을 적층한 후 온도를 Cu의 융점(1083℃)보다 높은 1100∼1800℃까지 가열하여 액상의 Cu가 예비 소결체 내의 기공을 채워 건전한 Cu-Cr-합금원소 소결체가 제조되도록 하였다(용침공정).

용침시 분위기는 진공 및 수소를 사용하였다. 용침시 진공 또는 수소 분위기 이외에 아르곤 및 질소와 같은 불활성 가스 분위기 사용도 가능하다. (용침 후 Cr 입자가 미세화되고 합금원소 성분이 고용되도록 장시간 유지한 경우에는 입자 미세화를 위한 아래의 후열 처리 공정은 생략될 수 있다.)

2. 소결법 : 결정된 조성에 맞도록 Cu, Cr, 합금원소 분말을 각각 칭량한 후 V자형 혼합기 또는 저속 볼밀을 사용하여 균일하게 혼합하였다. 혼합 분말을 금형에 장입한 후 88㎫ 이상으로 가압하여 Cu-Cr-합금원소 성형체를 제조하였다. 제조된 성형체는 고상 소결 혹은 액상 소결, 또는 고상 소결 영역에서 1차 소결한 후 소결 온도를 액상 소결 영역으로 상승시켜 2차 소결하는 고상/액상 2단 소결 공정에 의해 최종 소결되었다. 최종 소결 온도에서의 유지 시간이 비교적 장시간인 경우 Cr 입자의 미세화 및 고용화를 위한 후열 처리는 생략될 수 있다.

3. 가압 성형법(프레싱법) : 결정된 조성에 맞도록 Cu, Cr, 합금원소 분말을 각각 칭량한 후 V자형 혼합기 또는 저속 볼밀을 써서 균일하게 혼합하였다. 혼합 분말을 금형에 장입한 후 고온 프레스를 써서 가압소결 하였다. 가압 소결시 온도는 600∼1070℃, 압력은 1∼500㎫ 범위에서 처리하였다.

4. 후 열처리 공정 : 상기와 같은 세 가지 방법에 의해 건전한 소결 조직을 갖는 Cu-Cr-합금원소 소결체를 얻는데는 긴 소결시간을 필요로 하지 않는다. 그러나, 첨가원소(합금원소)에 의해 Cr 입자가 용해된 다음 Cr-합금원소의 고용체로 재석출하기 위해서는 소결후 유지 시간이 추가로 필요할 수도 있다. 특히, Cu-Cr-합금원소 소결체가 균질한 조직을 갖기 위해서는 고온(소결온도)에서 장시간의 유지를 필요로 한다.

Cu-Cr-합금원소 소결체의 후열처리 온도는 1083∼1800℃ 범위이며, 유지 시간의 길이는 유지 온도에 따라 달라진다. 즉, 1100℃에서는 20시간이 소요되었으나, 1800℃에서는 1시간으로도 충분하였다.

후열처리 공정의 분위기는 진공 또는 수소 분위기를 사용하였다. 진공 또는 수소 분위기 이외에 질소, 아르곤 같은 불활성 분위기 사용도 가능하다.

미세 조직 제어, 즉 후열처리 공정에 의해 미세한 Cr 입자들이 Cu 기지 내에 균일하게 분산되어 있는 건전한 조직의 Cu-Cr-합금원소 소결체를 얻었다. Cr 입자의 미세화 정도 및 Cr 입자내 고용 합금원소 원자의 분포(농도 기울기)는 후열 처리 온도 및 유지 시간에 따라 달라졌다. 첨가 원소 분포의 기울기가 없는 Cr-합금원소의 완전 고용체를 얻기 위해서는 높은 소결온도와 장시간의 유지시간이 필요하다.

다음의 실시예들은 본 발명의 내용 및 특징을 명확하게 보여줄 것이다.

1. 실시예 1

Cu, Cr, 내열 원소(Mo, W, Ta, Nb, V, Zr 등) 분말을 균일하게 섞은 혼합 분말을 금형에 장입한 후 1.75ton/㎠ 이상의 압력으로 가압하여 직경이 25㎜인 Cu-(15∼75)%Cr-10%내열원소 성형체를 제조하였다.

상대밀도 75% 이상인 성형체를 단상 소결[고상소결(900∼1075℃) 또는 액상소결(1100∼1250℃)] 또는 고상/액상 2단 소결하여 건전한 Cu-Cr-내열원소 소결체를 얻었다.

소결 시간은 0.5∼20시간이었으며, 소결 분위기는 진공 또는 수소 분위기를 사용하였다. Cu-Cr-내열원소 소결체 내부에 존재하는 Cr 입자를 미세화하기 위하여 도 1에 나타낸 열처리 곡선에서 보는 바와 같이, 1100℃에서 20시간, 1800℃에서는1시간 동안 유지하였다. 진공소결시의 진공도는 5×10^-5torr 이상이었고, 수소 분위기 소결시 수소가스의 순도는 99.9% 이상이었다.

도 2, 3은 실시예 1에 의해 제조된 Cu-Cr-내열원소계 접점 재료의 대표적인 조직 사진 및 전형적인 Cu-Cr 접점재료의 조직 사진이다. 합금원소 원소들이 첨가된 Cu-Cr-내열원소 접점 재료 내의 크롬 입자 크기가 Cu-Cr 접점 재료 내의 크롬 입자 크기보다 훨씬 미세하였다.

2. 실시예 2

Cu, Cr,내열원소(Mo, W, Ta, Nb, V, Zr 등) 분말을 균일하게 섞은 혼합 분말을 금형에 장입한 후 0.2∼4ton/㎠의 압력으로 가압하여 직경이 25㎜인 Cu-(15∼75)%Cr-(1∼50)%내열원소 성형체를 제조하였다. 그리고, 도 1에 나타낸 열처리 곡선에서 보는 바와 같이, 제조된 성형체를 600∼1050℃ 온도에서 0.5∼10시간 동안 1차 예비소결을 실시하여 다공질의 소결체를 제조한 후에, 다공질의 예비 소결체 위에 순수 Cu 판을 얹은 다음 가열하여 Cu의 융점 이상의 온도(1100∼1800℃)에서 0.5∼20시간 동안 유지하여 Cu 액상이 다공질의 Cu-(15∼75)%Cr-(1∼50)%내열원소 예비 소결체 내부로 충분히 용침되도록 하였다.

Cu-Cr-내열원소 소결체 내부의 Cr 입자를 미세화시키기 위하여 1100℃에서 20시간 또는 1800℃에서 1시간 동안 유지하였다. 진공 용침 시 진공도는 5×10^-5torr 이상이었고, 수소 분위기 하에서의 용침 시 수소 가스 순도는 99.9% 이상이었다.

용침에 이은 입자 미세화 처리의 결과는 상기 실시예 1에서의 소결 조직과 유사한 조직을 얻었다.

3. 실시예 3

Cu, Cr, 내열 원소(Mo, W, Ta, Nb, V, Zr 등) 분말을 균일하게 섞은 혼합 분말을 직경이 25㎜인 금형에 장입한 후 금형의 온도를 600∼1050℃ 범위로 유지시킨 다음 1∼500MPa의 압력으로 가압 성형하여 건전한 Cu-Cr-내열원소 접점 재료를 제조하였다. Cr 입자를 미세화시키기 위하여 상기 실시예 1에서와 같은 방법으로 열처리하였다.

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명은 Cu-Cr-내열원소(내열원소=Mo, W, Ta, Nb, V, Zr 등) 접점 재료에 있어서, Cr 입자의 직경을 원래 사용한 입자 크기가 200∼300㎛에서 20∼60㎛정도의 크기로 감소되었다. 또한, 미세한 Cr 입자들은 상당량의 내열 원소 원소들을 고용하고 있었다. Cu-Cr계 접점 재료에서 Cr 입자의 미세화 및 Cr 입자 내부에 Mo, W, Ta, Nb, V, Zr 등 내열 금속 원소의 고용으로 Cu-Cr계 합금의 전류 차단 특성을 향상시키고, 절연 파괴 전압의 증대가 가능하다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예로 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

Claims (10)

1. 구리-크롬계 접점 소재의 제조 방법에 있어서,

   기지 소재로 이용되는 구리(Cu)와, 접점 소재의 전기적 특성을 향상시켜 주는 크롬(Cr) 및 기지 내의 크롬 입자를 미세하게 해 주는 내열 원소에 대한 각각의 분말이 혼합된 혼합 분말을 얻는 단계와;

   상기 혼합 분말을 소결법, 용침법, 가압 성형법 중에서 선택된 어느 한 방법으로 처리하여 소결체를 얻는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 진공개폐기용 구리-크롬계 접점 소재의 조직 제어 방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 크롬은 상대 밀도를 감소시켜서 전기적 특성을 악화시키는 산화피막량을 줄이기 위하여 200∼300㎛의 입자 크기를 갖는 크롬 입자를 이용하는 것을 특징으로 하는 진공개폐기용 구리-크롬계 접점 소재의 조직 제어 방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 내열 원소는 Mo, W, Ta, Nb, V, Zr 중에서 선택된 적어도 어느 1종인 것을 특징으로 하는 진공개폐기용 구리-크롬계 접점 소재의 조직 제어 방법.
4. 제 1∼3항 중 어느 한항에 있어서, 상기 구리, 크롬, 내열 원소의 합금 조성범위가 Cu 20∼80%, Cr 10∼80%, Mo 0.001∼80%, W 0.001∼80%, Ta 0.001∼80%, Nb 0.001∼80%, V 0.001∼80%인 것을 특징으로 하는 진공개폐기용 구리-크롬계 접점 소재의 조직 제어 방법.
5. 제 1항에서 있어서, 상기 소결법은 상기 구리(Cu)의 융점 이하의 온도에서 고체 상태로 소결하는 고상 소결법과 상기 구리(Cu)의 융점 이상의 온도에서 액체 상태로 소결하는 액상 소결법 중에서 적어도 어느 한 소결법으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 진공개폐기용 구리-크롬계 접점 소재의 조직 제어 방법.
6. 제 1항에서 있어서, 상기 용침법은 상기 성형체를 구리의 융점 온도 이하에서 예비 소결하여 다공질성의 예비 소결체를 형성하는 단계와;

   상기 예비 소결체 위에 구리판을 얹은 다음 Cu의 융점 이상의 온도로 가열하여 Cu 액상이 다공질성의 예비 소결체 내부로 용침시키는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 진공개폐기용 구리-크롬계 접점 소재의 조직 제어 방법.
7. 제 1항에서 있어서, 상기 가압 성형법은 구리, 크롬, 내열 원소의 분말을 균일하게 혼합하여 금형에 장입한 후 금형의 온도를 구리의 융점 온도 이하로 유지하면서 1∼500MPa의 압력으로 가압하여 성형하는 것을 특징으로 하는 진공개폐기용 구리-크롬계 접점 소재의 조직 제어 방법.
8. 제 4항 또는 제 5항에 있어서, 상기 소결 처리와 용침 처리는 진공 분위기, 수소 분위기 또는 불활성 분위기 중에서 선택된 어느 한 분위기에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 진공개폐기용 구리-크롬계 접점 소재의 조직 제어 방법.
9. 제 1항에 있어서, 내부의 크롬 입자를 미세화시키기 위하여 후열처리 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 진공개폐기용 구리-크롬계 접점 소재의 조직 제어 방법.
10. 제 1항의 방법으로 제조된 것을 특징으로 하는 진공개폐기용 구리-크롬계 접점 소재.