KR20160111926A - 아크-내성 중앙 실드를 갖는 진공 차단기 - Google Patents

Abstract

본 명세서에 개시된 개념은 합금 조성물들, 방법들 및 합금 조성물들로 구성되는 아크-내성 실드에 관한 것이다. 아크-내성 실드는 진공 차단기 챔버 내에 배치되어, 아크-내성 실드를 생성하는 데 사용되는 전통적인 합금 조성물들에 대한 저가의 대안을 제공하면서도, 아크 손상에 대한 내성을 보이고 아크 발생 후에도 고전압을 억제하는 능력을 보인다. 특정 실시예들에서, 합금 조성물은 구리 및/또는 구리와 화학적으로 상용성인 요소와, 한정하고자 하는 것은 아니나, 철, 스테인리스 스틸, 니오븀, 몰리브덴, 바나듐, 탄화텅스텐, 탄화크롬, 탄화바나듐 및 크롬, 및 이들의 합금 및 혼합물과 같은 다른 성분을 포함한다.

Description

아크-내성 중앙 실드를 갖는 진공 차단기{VACUUM INTERRUPTER WITH ARC-RESISTANT CENTER SHIELD}

관련 출원의 상호 참조

본 출원은 본 명세서에 참고로 포함되는 2014년 1월 20일에 출원된 미국 특허출원 제14/158,928호의 우선권 및 이익을 주장한다.

본 명세서에 개시된 개념은 개략적으로 진공 회로 차단기(vacuum circuit breaker) 및 다른 유형의 진공 스위치기어(vacuum switchgear) 그리고 관련 구성요소들, 예를 들어, 진공 차단기(vacuum interrupter) 및 아크-내성 실드(arc-resistant shield)에 관한 것이다. 특히, 본 명세서에 개시된 개념은 진공 차단기 챔버에 활용되는 내부 아크-내성 실드를 구성하는 데 사용하기 위한 새로운 합금 조성물에 관한 것이다.

진공 차단기는 전형적으로 고전압 AC 전류를 차단하는 데 사용된다. 차단기는 서로 대향하는 접점 면들을 갖는 한 쌍의 동축으로 정렬되는 분리가능한 접점 어셈블리를 에워싸는 대략 원통형의 진공 엔벨로프(envelope)를 포함한다. 접점 면들은 폐쇄 회로 위치에서는 서로 맞대어 접하고 있는데, 회로 개방을 위해서는 분리된다. 각각의 전극 어셈블리는, 진공 엔벨로프 외측으로 연장되고 AC 회로에 접속되는 통전 단자 포스트(current carrying terminal post)에 연결된다.

전형적으로, 아크는 접점들이 서로 떨어져 개방 회로 위치로 이동되는 경우에 접점 면들 사이에 형성된다. 이러한 아크 발생은 전류가 차단될 때까지 계속된다. 아크에 의해서 기화되는 접점들로부터의 금속은, 아크 발생 중에는 중성 플라즈마를 형성하며, 전류가 소멸된 후에는 접점들 상에 또한 접점 어셈블리들과 진공 엔벨로프 사이에 배치된 증기 실드 상에 응결된다.

전형적으로, 차단기의 진공 엔벨로프는 각 단부를 덮는 금속 단부 캡 또는 시일을 갖는 세라믹 튜브형 절연 케이싱을 포함한다. 진공 차단기의 전극들은 단부 캡들을 통해 진공 엔벨로프 내로 연장된다. 단부 캡들 중 적어도 하나는 전극에 견고하게 연결되어 있으며, 차단기 작동 중 비교적 큰 동적 힘을 견뎌낼 수 있어야만 한다.

진공 차단기는 진공-유형 스위치기어의 핵심 구성요소이다. 직교 자기장을 이용하는 진공-유형 회로 차단기용의 차단기(interrupter)는 내부 아크 실드 또는 아크-내성 실드와 같은 증기 실드를 포함하는 것이 일반적인데, 이 실드는 아크가 외측으로 전파되는 것을 제한하고 고장 전류의 차단 후에도 차단기의 고전압 내성을 유지하기 위해 강한 아크 방전에도 견딘다.

관행적으로, 실드는 구리, 스테인리스 스틸, 구리-크롬 합금 또는 이들의 조합으로 구성된다. 일부 경우들에서, 실드는 아크 발생 영역에서 제 1 재료로 구성될 수도 있고, 실드의 나머지 영역에 대해서는 제 2 재료가 사용될 수도 있다. 구리-크롬 합금 재료가 가장 높은 고장 전류 정격에 대해 사용될 수 있는데, 그 이유는 아크 손상에 대한 내성 및 아크 발생 후의 고전압 억제 능력 때문이다. 전형적으로, 구리-크롬 합금은 약 10 내지 25 중량%의 크롬 및 나머지의 구리를 포함한다.

본 명세서에 개시된 개념의 목적은 진공 차단기들에서의 내부 사용을 위한 아크-내성 실드들을 구성하는 데 사용하기 위한 새로운 합금 조성물들을 개발하고자 하는 것으로서, 이들 조성물은 종래의 순수 크롬 및 구리 합금들과는 다르다. 다른 목적은 공지의 구리-크롬 조성물에 비해 크롬의 양이 감소된 새로운 합금 조성물들을 개발하고자 하는 것이다. 또 다른 목적에서는, 조성물들에 크롬이 존재하지 않는다. 크롬은 구입 비용이 많이 들어가므로, 크롬의 존재를 감소시키거나 제거시킴으로써, 아크-내성 실드들을 구성하는 데 사용되는 종래 재료들에 대한 저 비용의 대안이 제공될 것이다. 또한, 순수 크롬 및 구리와는 다른 재료들 또는 구성요소들을 활용함으로써, 아크-내성 실드에서 우수한 성능을 나타내는 합금 조성물들을 얻을 수 있다고 믿어진다.

이들 및 다른 필요성은 조성물들 및 이들 조성물로 구성되는 아크-내성 실드들을 제공하는 본 명세서에 개시된 개념의 실시예들에 의해서 충족될 것이다.

하나의 양태에서, 본 명세서에 개시된 개념은 진공 차단기 챔버 내에 배치되는 아크-내성 실드를 구성하기 위한 합금 조성물을 제공한다. 합금 조성물은 고상선 온도(solidus temperature)와 액상선 온도(liquidus temperature) 사이의 100℃ 이상의 융점 범위, 900℃ 이상의 고상선 온도, 실질적으로 다상 마이크로구조(multi-phase microstructure), 및 아크 용융에 후속해서 급속하게 냉각되는 경우에 실질적으로 평활한 표면을 형성하는 능력을 포함한다.

조성물은 제 1 성분 및 제 2 성분을 포함할 수 있다. 제 1 성분은 구리 또는 구리와 화학적으로 상용성인(compatible) 요소를 포함할 수도 있다. 제 2 성분은 철, 스테인리스 스틸, 니오븀, 몰리브덴, 바나듐, 크롬 합금, 탄화물, 및 이들의 합금 및 혼합물로 이루어지는 그룹으로부터 선택될 수도 있다. 특정 실시예들에서, 조성물은 구리 성분 및 페로크롬(ferrochrome)을 포함한다. 페로크롬은 약 70 중량퍼센트의 크롬 및 약 30 중량퍼센트의 철로 이루어질 수도 있다.

제 1 성분은 순수 구리 또는, 한정하고자 하는 것은 아니나, 백동(cupronickel), 구리-주석, 니켈-구리, 은 함유 구리, 주석 청동 및 알루미늄 청동과 같은 구리 합금일 수도 있다. 제 1 성분은 또한 니켈, 은, 금, 팔라듐, 백금, 코발트, 로듐, 이리듐, 루테늄, 및 이들의 합금 및 혼합물을 포함할 수 있다.

탄화물은 탄화텅스텐, 탄화크롬, 탄화바나듐, 탄화몰리브덴, 탄화니오븀, 탄화탄탈, 탄화티탄, 탄화지르코늄, 탄화하프늄, 탄화붕소, 및 탄화규소로 이루어지는 그룹으로부터 선택될 수도 있다.

다른 양태에서, 본 명세서에 개시된 개념은 제 1 성분 및 제 2 성분을 포함하는 합금 재료로 구성되는 아크-내성 실드를 제공한다. 제 1 성분은 구리 또는 구리와 화학적으로 상용성인 요소를 포함할 수도 있다. 제 2 성분은 철, 스테인리스 스틸, 니오븀, 몰리브덴, 바나듐, 크롬 합금, 탄화물, 및 이들의 합금 및 혼합물로 이루어지는 그룹으로부터 선택될 수도 있다. 아크-내성 실드는 진공 차단기의 내부 구성요소이다.

특정 실시예들에서, 제 1 성분은 순수 구리 또는 구리 합금을 포함할 수도 있다. 다른 실시예들에서, 제 1 성분은 니켈, 은, 금, 팔라듐, 백금, 코발트, 로듐, 이리듐, 루테늄, 및 이들의 합금 및 혼합물을 포함할 수도 있다.

또 다른 양태에서, 본 명세서에 개시된 개념은 진공 차단기 내에 배치되는 아크-내성 실드를 제조하기 위한 방법을 제공한다. 이 방법은 순수 구리, 구리 합금, 구리와 화학적으로 상용성인 요소, 및 이들의 혼합물로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 제 1 성분을 얻는 단계; 철, 스테인리스 스틸, 니오븀, 몰리브덴, 바나듐, 크롬 합금, 탄화물, 및 이들의 합금 및 혼합물로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 제 2 성분을 얻는 단계; 제 1 및 제 2 성분을 조합하여 혼합물을 형성하는 단계; 혼합물을 선택된 형상으로 성형하는 단계; 및 아크-내성 실드를 형성하기 위해 기계 가공하는 단계를 포함한다. 크롬 합금은 페로크롬일 수도 있으며, 페로크롬은 사전 합금화된(pre-alloyed) 크롬-철 분말의 형태일 수도 있다. 또한, 혼합물을 형성하는 단계는 압출(extruding), 성형(molding) 및 이들의 조합으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 기법에 의해 실행될 수도 있다.

본 명세서에 개시된 개념은 첨부 도면을 참조한 다음의 바람직한 실시예들로부터 완전하게 이해될 수 있다.
도 1은 본 명세서에 개시된 개념에 따른, 아크-내성 실드를 포함하는 진공 차단기의 단면도이다.

본 명세서에 개시된 개념은 합금 조성물들, 이들 조성물을 제조하는 방법 및 이들 조성물을 이용해서 진공 차단기에 사용하기 위한 아크-내성 실드를 제조하기 위한 방법을 포함한다. 진공 차단기는 진공 회로 차단기와 같은 진공 스위치기어의 핵심 내부 구성요소이다. 아크-내성 실드는 전통적으로 구리, 스테인리스 스틸 또는 구리-크롬 합금으로 구성된다. 특히, 구리-크롬 합금들은 가장 높은 고장 전류 정격과 함께 사용하기 위한 공지의 재료인데, 그 이유는 심한 아크 발생에 대한 내성 및 아크 발생 후에도 차단기의 고전압 내성을 유지하는 능력 때문이다. 바람직한 구리-크롬 합금은 그 합금 조성물의 총 중량을 기준으로 약 10 내지 25 중량퍼센트의 크롬 및 나머지의 구리를 포함한다. 공지된 구리-크롬 합금의 한가지 단점은 그들과 연관된 높은 비용이다. 특히, 순수 크롬은 값비싼 구성요소이므로, 합금 조성물 내에 순수 크롬이 존재하면, 재료 가격이 높아질 수 있다. 재료 가격은 크롬의 양을 감소시키거나 크롬이 없는 재료를 제조하면 내려갈 수 있다. 따라서, 아크-내성 실드들을 형성하는 데 유용한 적합한 합금 조성물을 제공하고자 하는 것이 본 명세서에 개시된 개념의 목적이다. 합금 조성물들은 전통적인 합금 조성물들에 대한 저가의 대안을 제공하면서도, 아크 손상에 대한 내성을 보일 수 있어야 하고 아크 발생 후에도 고전압을 억제할 수 있어야 한다.

도 1은 단부 시일(51 및 52)과 조합하여 진공 엔벨로프(50)를 형성하는 원통형 절연 튜브(12)를 갖는 진공 차단기(10)를 도시한 것이다. 절연 튜브(12)는 플랜지(25)에 의해 증기 실드(24)를 지지한다. 아크 내성 증기 실드(24)는 금속 증기가 절연 튜브(12) 상에 모이는 것을 방지하고 절연 튜브(12)에 충돌하는 것을 방지하기 위해 제 1 전극 어셈블리(20) 및 제 2 전극 어셈블리(22)를 에워싼다. 절연 튜브(12)는 바람직하게는 알루미나, 지르코니아 또는 다른 산화물 세라믹과 같은 세라믹 재료로 만들어질 수 있으나, 유리일 수도 있다. 제 1 및 제 2 전극 어셈블리(20 및 22)는 제각기 진공 엔벨로프(50) 내에 길이 방향으로 정렬된다. 제 1 전극 어셈블리(20)는 벨로우즈(28), 제 1 전극 접점(30), 제 1 단자 포스트(31) 및 제 1 증기 실드(32)를 포함한다. 제 2 전극 어셈블리(22)는 제 2 전극 접점(34), 제 2 단자 포스트(35) 및 제 2 증기 실드(36)를 포함한다. 도 1에 도시되는 진공 엔벨로프(50)는 차단기(10)의 일부이지만, 본 명세서에서 사용되는 "진공 엔벨로프"라는 용어는 실질적으로 기밀 인클로저(gas-tight enclosure)를 형성하는 세라믹 대 금속 시일(ceramic to metal seal)을 갖는 임의의 밀봉된 구성요소를 포함하고자 하는 것으로 이해되어야 한다. 이러한 밀봉된 인클로저는 작동 중에 대기압 미만 압력, 대기압 또는 대기압 초과 압력으로 유지될 수 있다.

제 1 및 제 2 전극 어셈블리(20 및 22)는 제각기 AC 회로의 개방 및 폐쇄를 위해 서로에 대해서 축방향으로 이동 가능하다. 제 1 전극 어셈블리(20) 상에 장착되는 벨로우즈(28)는 절연 튜브(12) 및 단부 시일(51 및 52)에 의해서 형성되는 진공 엔벨로프의 내부를 밀봉시키는 한편, 제 1 전극 어셈블리(20)를 도 1에 도시된 폐쇄 위치로부터 개방 회로 위치(도시 안됨)로 이동할 수 있게 한다. 제 1 전극 접점(30)은 단부 시일(51) 내의 구멍을 통해 진공 엔벨로프(50) 외부로 연장되는 대략 원통형의 제 1 단자 포스트(31)에 연결된다. 제 1 증기 실드(32)는 벨로우즈(28)로부터 금속 증기들이 나오지 못하도록 제 1 단자 포스트(31) 상에 장착된다. 마찬가지로, 제 2 전극 접점(34)은 단부 시일(52)을 통해 연장되는 개략적으로 원통형의 제 2 단자 포스트(35)에 연결된다. 제 2 증기 실드(36)는 금속 증기들로부터 절연 튜브(12)를 보호하도록 제 2 단자 포스트(35) 상에 장착된다. 제 2 단자 포스트(35)는, 한정하고자 하는 것은 아니나, 용접 또는 납땜과 같은 수단에 의해 단부 시일(52)에 견고하게 밀폐된다.

바람직하게는, 제 1 및 제 2 전극 접점(30 및 34)은 제각기 합금 조성물, 예를 들어, 구리-크롬으로 구성된다.

본 명세서에 개시된 개념의 특정 실시예들에 따르면, 아크 내성 실드를 생성하는 데 적합한 합금 조성물들은 다음과 같은 특성 또는 성질 중 하나 이상을 나타낸다.

(ⅰ) 예를 들어 슬러리와 같이 고상 및 액상이 동시적으로 존재하는 융점 범위 또는 구간으로서, 고상선 온도와 액상선 온도 사이의 100℃ 이상의 융점 범위 또는 구간;

(ⅱ) 900℃ 이상의 고상선 온도;

(ⅲ) 적어도 2개의 상을 갖는 실질적으로 다상 마이크로구조; 및

(ⅳ) 아크 용융 후 급속하게 냉각되는 경우에 실질적으로 평활한 표면을 형성하는 능력.

본 명세서에 개시된 개념은 제 1 성분 및 제 2 성분을 갖는 합금 조성물에 관한 것이다. 특정 실시예들에서, 제 1 성분은 순수 구리, 구리 합금 또는 이들의 혼합물을 포함하는 구리이다. 특정 실시예들에서는, 그 대신에 또는 그 외에, 제 1 성분은 임의의 상용성 요소를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 구리와 화학적으로 상용성인 요소가 있다. 즉, 구리를 대체할 수도 있는 요소가 있다. 적절한 상용성 요소들은, 한정하고자 하는 것은 아니나, 니켈, 은, 금, 팔라듐, 백금, 코발트, 로듐, 이리듐, 루테늄, 및 이들의 합금 및 혼합물을 포함한다. 제 2 성분은 철, 스테인리스 스틸, 니오븀, 몰리브덴, 바나듐, 크롬, 탄화물, 및 이들의 합금 및 혼합물을 포함할 수도 있다. 탄화물은 탄화텅스텐, 탄화크롬, 탄화바나듐, 탄화몰리브덴, 탄화니오븀, 탄화탄탈, 탄화티탄, 탄화지르코늄, 탄화하프늄, 탄화붕소, 및 탄화규소를 포함할 수도 있다. 특정 실시예들에서, 제 2 성분은 크롬 합금이다.

본 명세서에 개시된 개념에 사용하는 데 적합한 합금 조성물들의 비-제한적 예들은 철, 스테인리스 스틸, 니오븀, 몰리브덴, 바나듐, 크롬, 이들의 합금 또는 이들의 혼합물, 및 탄화물과 같은 다른 성분과 함께 구리 성분을 포함한다. 본 명세서에 개시된 개념의 특정 실시예들에서, 합금 조성물은, 구리-철, 구리-스테인리스 스틸, 구리-니오븀, 구리-몰리브덴, 구리-바나듐, 구리-크롬 합금, 구리-페로크롬, 구리-페로바나듐, 구리-페로니오븀, 및 구리-X-탄화물을 포함하는데, 여기서, X는 텅스텐, 크롬, 바나듐, 탄탈, 몰리브덴, 니오븀, 규소, 붕소, 또는 임의의 일반적인 탄화물 형성재(former)이다. 또한, 특정 실시예들에서, 구리 합금은 백동, 구리-주석, 니켈-구리, 은 함유 구리, 주석 청동 및 알루미늄 청동을 포함할 수 있다.

본 명세서에 개시된 개념은 순수 크롬을 사용하면 재료 비용이 높아지므로 순수 크롬이 아닌 성분들을 포함하는 아크-내성 실드를 제조하기 위한 합금 조성물들에 관한 것이다. 특정 실시예들에서, 조성물들은 예로서 순수 구리 및/또는 구리 합금 형태의 구리와 크롬 합금을 포함할 수 있는데, 여기서 크롬 합금은 페로크롬이다. 이들 성분의 각각의 양은 달라질 수 있다. 페로크롬은 조성물의 총 중량을 기준으로 약 5 중량퍼센트 내지 약 60 중량퍼센트를 구성할 수도 있다. 구리가 나머지를 구성할 수도 있다. 페로크롬 성분은 크롬 및 철의 각각의 양이 달라질 수 있는 크롬-철 합금이다. 페로크롬 성분의 총 중량을 기준으로 크롬은 약 70 중량퍼센트를 이룰 수도 있으며 철은 약 30 중량퍼센트를 이룰 수도 있다.

일반적으로, 본 명세서에 개시된 개념의 합금 조성물들은 아크-내성 실드를 형성하기 위해 하나 이상의 공지된 분말 야금, 압출, 단조 및 주조 공정을 거치게 된다. 전통적인 분말 야금 기법은, 한정하고자 하는 것은 아니나, 프레싱 및 소결, 압출, 예를 들어, 바인더를 이용한 압출, 분말 사출 성형 및 분말 단조를 포함한다. 압출은 열간 압출 또는 냉간 압출을 포함하며, 단조는 열간 단조 또는 냉간 단조를 포함한다. 주조는 진공 유도 용융, 사형 주조(sand casting) 및 다른 통상적인 주조 방법을 포함한다.

본 명세서에 개시된 개념의 특정 실시예에 따르면, 구리 성분 및 페로크롬 성분의 각각은 건조 형태, 예를 들어, 분말일 수 있다. 이들 실시예들에서, 조성물은 구리 분말과 페로크롬 분말을 함께 혼합하는 것에 의해 제조된다. 페로크롬 분말은 사전 합금화된 크롬-철 분말에 해당한다. 구리 및 페로크롬의 양과, 크롬 및 철의 양은 위에서 특정한 중량 범위 내에 있을 수 있다. 구리 및 페로크롬 분말은 아토마이징되거나(atomized), 화학적으로 환원되거나, 전기분해적으로 형성되거나, 그라인딩되거나, 임의의 다른 공지된 분말 제조법에 의해 형성될 수 있다. 분말 형태는 구의 형태, 침의 형태(acicular), 또는 불규칙한 형태일 수 있다. 구리-페로크롬 분말 혼합물은 성형을 위해 프레싱되고 소결된다. 성형 및 소결은 통상적인 성형 및 소결 장치 그리고 관련 기술분야의 공지된 방법에 따라 실시될 수 있다. 성형되고 소결된 물품들은 아크-내성 실드를 형성한다. 선택적으로, 성형되고 소결된 물품의 기계 가공은 실드의 형태를 마무리하기 위해서 필요할 수도 있다.

진공 회로 차단기 용의 아크-내성 실드를 제조하는 바람직한 방법에서, 제조 단계들은 구리-페로크롬 혼합물을 다이 캐비티(die cavity) 내로 부어 넣는 단계, 분말의 표면을 평평하게 하기 위한 태핑(tapping) 단계, 약 80,000 내지 약 150,000 psi의 압력을 가해 실드를 형성하는 단계, 환원 또는 진공 노(furnace)에서 약 0.5 내지 약 10 시간 동안 약 950℃ 내지 약 1,100℃의 온도로 실드를 소결하는 단계, 및 기계 가공하여 중공 실드를 형성하는 단계를 포함한다.

바람직한 방법에서, 단계들은 초기에 구리 또는 구리 합금의 원통형 쉘(shell) 용기 또는 튜브 용기를 사전 제조하는 단계, 구리-페로크롬 분말을 부어 넣는 단계, 태핑 또는 프레싱에 의한 레벨링(leveling) 단계, 약 125℃ 내지 약 400℃의 온도에서 분말 함유 용기의 가스를 배출시키는 단계, 용기 진공 용접부의 상부 덮개를 용접하거나 상부를 용접하는 것에 의해 용기를 밀봉하는 단계, 포트 및 시일을 통해 배기시키는 단계, 약 400℃ 내지 약 900℃의 온도에서 용기를 열간 압출하는 단계, 용기를 제거하는 단계 및 실드를 기계 가공하는 단계를 포함한다. 다른 형태의 방법에서는, 약 0.25 시간 내지 약 6 시간 동안 약 10,000psi 내지 약 30,000psi 사이에서 약 700℃ 내지 약 1,080℃ 범위의 온도로 용기를 열간 등방압 프레싱한다.

실드의 제조를 위한 각종 프로세스들을 다음과 같다.

프로세스 #1

1. 구리-페로크롬 혼합물을 다이 캐비티 내로 부어 넣고 분말의 표면을 평평하게 하기 위해 태핑(tapping)을 행하는 단계;

2. 약 80,000 내지 약 150,000psi의 압력을 가해 실드 프리폼(pre-form)을 제조하는 단계;

3. 환원 또는 진공 노에서 약 0.5 내지 약 10 시간 동안 약 950℃ 내지 약 1,100℃ 범위의 온도로 소결을 행하는 단계; 및

4. 속 부분을 파내는 것에 의해 실드를 기계 가공하는 단계.

프로세스 #2

1. 중공형 튜브 프리폼을 형성하기 위해 프레싱 동안 다이 내에 코어를 사용하는 것을 제외하고는 프로세스 #1과 동일;

2. 환원 또는 진공 노에서 약 0.5 내지 약 10 시간 동안 약 950℃ 내지 약 1,100℃ 범위의 온도로 소결을 행하는 단계; 및

3. 실드를 기계 가공하는 단계.

프로세스 #3

1. 고무 백을 다이로서 사용하고 약 60,000psi 내지 약 120,000psi 범위의 등압을 가하기 위해 냉간 등방압 프레스를 사용하는 것을 제외하고는 프로세스 #1 및 프로세스 #2와 동일;

2. 환원 또는 진공 노에서 약 0.5 내지 약 10 시간 동안 약 950℃ 내지 약 1,100℃ 범위의 온도로 소결을 행하는 단계; 및

3. 실드를 기계 가공하는 단계.

프로세스 #4

1. 사전 제작된 구리 또는 구리-페로크롬 파이프를 배치하는 단계;

2. 파이프의 내경 부분 상에 구리-페로크롬의 층을 플라즈마, 레이저 침착, 써멀 분사(thermal spray) 또는 콜드 분사(cold spray)에 의해 제공하는 단계; 및

3. 실드를 기계 가공하는 단계.

프로세스 #5

1. 희생용 또는 재사용가능한 맨드릴(mandrel)을 배치하는 단계;

2. 맨드릴의 외경 부분 상에 구리-페로크롬의 층을 플라즈마, 레이저 침착, 써멀 분사 또는 콜드 분사에 의해 제공하는 단계;

4. 기계 가공에 의해(또는, 희생용이라면, 화학적으로) 맨드릴을 제거하거나 재사용가능한 것이라면 침착된 재료로부터 맨드릴을 회수하는 단계; 및

3. 실드를 기계 가공하는 단계.

프로세스 #6

1. 구리 분말, 페로크롬 분말, 및 건조되거나 원심 분리되는 경우에 실질적으로 응고되는 적절한 액체 함유 물질(결합제)의 슬러리를 형성하는 단계;

2. 중공형 파이프 내로 슬러리를 부어 넣는 단계;

3. 슬러리를 파이프의 내경 부분에 밀어붙이기 위해 파이프를 회전시키는 단계;

4. 회전시킨 혼합물을 건조시키는 단계;

5. 응고된 혼합물을 파이프로부터 제거하는 단계;

7. 원심력에 의해 형성된 원통형 분말 혼합물을 소결시키는 단계; 및

8. 원통형의 소결된 부품으로부터 실드를 기계 가공하는 단계.

프로세스 #7

1. 구리와 페로크롬의 적절한 혼합물을 진공 유도 용융 또는 다른 기법을 사용하여 용융시키는 단계;

2. 용융물을 중앙 코어를 갖는 주형 내로 부어 넣는 단계;

3. 주형을 부수어 주물을 꺼내는 단계; 및

4. 주물을 기계 가공하여 실드를 형성하는 단계.

프로세스 #8

1. 구리와 페로크롬의 적절한 혼합물을 진공 유도 용융 또는 다른 기법을 사용하여 용융시키는 단계;

2. 용융물을 원심 주조기를 갖는 주형 내로 부어 넣어 실드를 주조하는 단계; 및

3. 실드를 기계 가공하는 단계.

프로세스 #9

1. 분말 야금 소결, 분말 야금 침투, 또는 주조에 의해 구리와 페로크롬의 중실(solid) 또는 원통형 블랭크(blank)를 마련하는 단계;

2. 블랭크를 압출할 수 있는 온도로 가열하는 단계;

3. 블랭크를, 예를 들어, 압출 프레스를 사용하여, 원통 형상으로 압출하는 단계; 및

4. 필요하다면, 압출된 원통 형상물로부터 실드를 기계 가공하는 단계.

프로세스 # 10

1. 건조 구리 및 페로크롬을 적합한 플라스틱 바인더 시스템과 혼합하는 단계;

2. 분말/바인더 혼합물을 성형할 수 있는 온도로 가열하는 단계;

3, 분말/바인더 혼합물을 원통 형상으로 압출하거나 분말 사출 성형하는 단계;

4. 플라스틱 바인더 시스템을 용매 처리, 가열 처리 또는 이들의 조합에 의해 제거해서 분말이 원통 형상을 유지하도록 하는 단계;

5. 원통 형상물을 소결시키는 단계; 및

6. 필요하다면, 실드를 기계 가공하는 단계.

예들

예 1

한 실험에서는, 아크 내성 실드는 36 중량%의 고 탄소 페로크롬 분말과 64 중량%의 구리 분말을 혼합하고, 원통형 다이 내에서 프레싱하며, 그 부품을 소결시키며, 최종 실드 형상을 기계 가공함으로써 제조되었다. 고 탄소 페로크롬 분말의 조성물은 67 내지 71 중량%의 크롬, 8 내지 9.5 %의 탄소, 및 나머지의 철이었다. 고 탄소 페로크롬 분말은 100 메쉬 이하의 크기로 갈았다. 구리 분말은 140 메쉬 이하 크기의 워터 아토마이징된 순수 구리(water atomized pure copper)이었다. 부품들의 프레싱은 듀얼-액션 분말 압축 프레스(dual-action powder compaction press)로 수행하였다. 원통형 부품들의 프레싱에 사용되는 공구 요소들은 중공의 원통형 상부 펀치(hollow cylindrical upper punch), 중공의 원통형 하부 펀치, 중공의 원통형 다이 본체, 및 중실의 원통형 코어 로드(solid cylindrical core rod)로 구성된다. 분말은 자동 분말 슈(automatic powder shoe)를 사용해서 원통형 캐비티 내로 공급했다. 압축은 45,000 내지 116,000psi의 압력으로 수행했다. 그 다음, 부품들을 6 시간 동안 950℃ 내지 1,050℃에서 진공 소결시켰고 최종 형상으로 선반 가공했다.

예 2

다른 실험에서는, 아크 내성 실드는 60 중량%의 고 탄소 페로크롬 분말과 40 중량%의 구리 분말을 혼합하고, 원통형 다이 내에서 프레싱하며, 그 부품을 소결시키며, 최종 실드 형상을 기계 가공함으로써 제조되었다. 고 탄소 페로크롬 분말의 조성물은 67 내지 71 중량%의 크롬, 8 내지 9.5 %의 탄소, 및 나머지의 철이었다. 고 탄소 페로크롬 분말은 100 메쉬 이하의 크기로 갈았다. 구리 분말은 140 메쉬 이하 크기의 워터 아토마이징된 순수 구리이었다. 부품들의 프레싱은 듀얼-액션 분말 압축 프레스로 수행하였다. 원통형 부품들의 프레싱에 사용되는 공구 요소들은 중공의 원통형 상부 펀치, 중공의 원통형 하부 펀치, 중공의 원통형 다이 본체, 및 중실의 원통형 코어 로드로 구성된다. 분말은 자동 분말 슈를 사용해서 원통형 캐비티 내로 공급했다. 압축은 60,000 내지 160,000psi의 압력으로 수행했다. 그 다음, 부품들을 6 시간 동안 950℃ 내지 1,050℃에서 진공 소결시켰고 최종 형상으로 선반 가공했다.

예 3

또 다른 실험에서, 아크 내성 실드는 36 중량%의 저 탄소 페로크롬 분말과 64 중량%의 구리 분말을 혼합하고, 원통형 다이 내에서 프레싱하며, 그 부품을 소결시키며, 최종 실드 형상을 기계 가공함으로써 제조되었다. 고 탄소 페로크롬 분말의 조성물은 70 중량%의 크롬 및 나머지의 철이었다. 고 탄소 페로크롬 분말은 80 메쉬 이하의 크기로 갈았다. 구리 분말은 140 메쉬 이하 크기의 워터 아토마이징된 순수 구리이었다. 부품들의 프레싱은 듀얼-액션 분말 압축 프레스로 수행하였다. 원통형 부품들의 프레싱에 사용되는 공구 요소들은 중공의 원통형 상부 펀치, 중공의 원통형 하부 펀치, 중공의 원통형 다이 본체, 및 중실의 원통형 코어 로드로 구성된다. 분말은 자동 분말 슈를 사용해서 원통형 캐비티 내로 공급했다. 압축은 43,000 내지 119,000psi의 압력으로 수행했다. 그 다음, 부품들을 6 시간 동안 950℃ 내지 1,050℃에서 진공 소결시켰고 최종 형상으로 선반 가공했다.

예 4

또 다른 실험에서, 아크 내성 실드는 60 중량%의 저 탄소 페로크롬 분말과 40 중량%의 구리 분말을 혼합하고, 원통형의 다이 내에서 프레싱하며, 그 부품을 소결시키며, 최종 실드 형상을 기계 가공함으로써 제조되었다. 고 탄소 페로크롬 분말의 조성물은 70 중량%의 크롬 및 나머지의 철이었다. 고 탄소 페로크롬 분말은 80 메쉬 이하의 크기로 갈았다. 구리 분말은 140 메쉬 이하 크기의 워터 아토마이징된 순수 구리이었다. 부품들의 프레싱은 듀얼-액션 분말 압축 프레스로 수행하였다. 원통형 부품들의 프레싱에 사용되는 공구 세공 요소들은 중공의 원통형 상부 펀치, 중공의 원통형 하부 펀치, 중공의 원통형 다이 본체, 및 중실의 원통형 코어 로드로 구성된다. 분말은 자동 분말 슈를 사용해서 원통형 캐비티 내로 공급했다. 압축은 50,000 내지 112,000 psi의 압력으로 수행했다. 그 다음, 부품들을 6 시간 동안 950℃ 내지 1,050℃에서 진공 소결시켰고 최종 형상으로 선반 가공했다.

대표적인 시스템들 및 방법들 등을 예들의 설명을 통해 예시하고 그들 예를 상당히 상세하게 설명했지만, 그러한 상세에 첨부 청구항들의 범위를 제한하거나 한정하려고 하는 것이 출원인의 의도는 아니다. 물론, 본 명세서에 개시하는 시스템들 및 방법들의 설명을 위해 모든 가능한 구성요소들 또는 방법들의 조합을 설명하는 것은 불가능하다. 따라서, 본 명세서에 개시된 개념이 도시되고 설명되는 특정 세부적 사항들, 대표적인 장치 및 예시적인 예들에 한정되는 것은 아니다. 따라서, 본 출원은 첨부 청구항들의 범위에 속하는 대체, 변형 및 변경들을 포괄하고자 한다.

Claims (15)

1. 진공 차단기(10) 챔버 내에 배치되는 아크-내성 실드(24)를 구성하기 위한 합금 조성물에 있어서,
   고상선 온도와 액상선 온도 사이의 100℃ 이상의 융점 범위;
   900℃ 이상의 고상선 온도;
   실질적으로 다상 마이크로구조(multi-phase microstructure); 및
   아크 용융에 후속하여 급속하게 냉각되는 경우에 실질적으로 평활한 표면을 형성하는 능력을 포함하는
   합금 조성물.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 조성물은 2개의 성분을 포함하며, 상기 2개의 성분은,
   제 1 성분; 및
   철, 스테인리스 스틸, 니오븀, 몰리브덴, 바나듐, 크롬 합금, 탄화물, 및 이들의 합금 및 혼합물로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 제 2 성분을 포함하는
   합금 조성물.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 제 1 성분은 순수 구리, 구리 합금, 구리와 화학적으로 상용성인(compatible) 요소, 및 이들의 혼합물로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는
   합금 조성물.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 구리 합금은 백동(cupronickel), 구리-주석, 니켈-구리, 은 함유 구리, 주석 청동 및 알루미늄 청동인
   합금 조성물.
5. 제 2 항에 있어서,
   상기 탄화물은 탄화텅스텐, 탄화크롬, 탄화바나듐, 탄화몰리브덴, 탄화니오븀, 탄화탄탈, 탄화티탄, 탄화지르코늄, 탄화하프늄, 탄화붕소, 및 탄화규소로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는
   합금 조성물.
6. 제 2 항에 있어서,
   상기 크롬 합금은 페로크롬(ferrochrome)인
   합금 조성물.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 페로크롬은 상기 조성물의 총 중량을 기준으로 약 5 내지 약 60 중량퍼센트에 해당하는
   합금 조성물.
8. 제 6 항에 있어서,
   상기 페로크롬은 사전 합금화된(pre-alloyed) 분말의 형태인
   합금 조성물.
9. 제 6 항에 있어서,
   상기 페로크롬은 상기 페로크롬 성분의 총 중량을 기준으로 약 70 중량퍼센트의 크롬 및 약 30 중량퍼센트의 철로 이루어지는
   합금 조성물.
10. 제 3 항에 있어서,
    상기 화학적으로 상용성인 요소는 니켈, 은, 금, 팔라듐, 백금, 코발트, 로듐, 이리듐, 루테늄, 및 이들의 합금 및 혼합물로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는
    합금 조성물.
11. 합금 재료로 구성되는 아크-내성 실드(24)에 있어서,
    상기 합금 재료는,
    순수 구리, 구리 합금, 구리와 화학적으로 상용성인 요소, 및 이들의 혼합물로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 제 1 성분; 및
    철, 스테인리스 스틸, 니오븀, 몰리브덴, 바나듐, 크롬 합금, 탄화물, 및 이들의 합금 및 혼합물로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 제 2 성분을 포함하며,
    상기 아크-내성 실드(24)는 진공 차단기(10)의 내부 구성요소인
    아크-내성 실드.
12. 진공 스위치기어 챔버 내에 배치되는 아크-내성 실드(24)를 제조하기 위한 방법에 있어서,
    순수 구리, 구리 합금, 구리와 화학적으로 상용성인 요소, 및 이들의 혼합물로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 제 1 성분을 얻는 단계;
    철, 스테인리스 스틸, 니오븀, 몰리브덴, 바나듐, 크롬 합금, 탄화물, 및 이들의 합금 및 혼합물로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 제 2 성분을 얻는 단계;
    상기 제 1 및 제 2 성분을 조합하여 혼합물을 형성하는 단계;
    상기 혼합물을 선택된 형상으로 성형하는 단계; 및
    상기 아크-내성 실드(24)를 형성하기 위해 기계 가공하는 단계를 포함하는
    아크-내성 실드 제조 방법.
13. 제 12 항에 있어서,
    상기 크롬 합금은 페로크롬인
    아크-내성 실드 제조 방법.
14. 제 13 항에 있어서,
    상기 페로크롬은 사전 합금화된 크롬-철 분말의 형태인
    아크-내성 실드 제조 방법.
15. 제 12 항에 있어서,
    상기 혼합물을 형성하는 단계는 압출(extruding), 성형(molding) 및 이들의 조합으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 기법에 의해 실행되는
    아크-내성 실드 제조 방법.

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