KR920003464B1 - 진공차단기용 전극의 제조법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

진공차단기용 전극의 제조법

제1도는 본 발명의 제조과정을 나타내는 플로우챠트.

제2도는 열간등압 압축성형처리 장치의 개략도.

제3도는 여러가지 전극재료의 내전압 테스트 결과를 나타내는 도시적 설명도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 예비소결체 4 : 챔버

2 : 캡슐 5 : 가열로

3 : 알루미나분말

본 발명은 진공차단기용 전극의 제조법에 관한 것으로, 특히 원료분말을 혼합하고 그 혼합물을 소결하는 전극제조법의 개선에 관한 것이다.

본 발명은 예를 들면 주성분으로써의 Cr과 Cu를 함유하는 Cr-Cu계 전극의 제조용으로 사용하는 것이 적합한다. 진공차단기용의 Cr-Cu계 전극은 예를 들면 차량용 전환스위치 및 범용의 진공차단기 등에 폭넓게 사용될 수 있다.

Cu 또는 Ag으로된 도전성 금속과 도전성 금속보다 더 높은 융점을 갖는 내화성 금속으로 구성된 진공차단기용 전극은 고내전압을 가지며 대전류 차단용에 적합한 것으로 알려져 있다. 내화성 금속으로는 예를 들면 Cr,Co,Ni,Fe,Ta,W,Mo 등이 사용되고 이중에서 Cr이 가장 널리 사용된다.

진공차단기용 전극 제조법으로써는 원료ㄹ를 용해하고 응고시킴으로써 전극용 합금을 성형하는 전극제조의 용해법, 또는 원료분말을 소결함으로써 전극을 제조하는 소결법이 일반적으로 사용된다.

통상, 소결법은 Cu와 Cr의 화합처럼 합금으로 되기가 어렵고 용해도가 낮은 전극재료, 또는 Cu와 Co, Cu와 Fe의 화합 등과 같이 용해되었을 때 두가지 성분으로 분리되어지는 전극재료에 대하여 사용된다.

일본 특개소 50-55870호 공보에는 도전성 금속과 내화성 금속으로 구성된 전극을 소결법을 이용하여 제조하는 것에 관하여 상세히 설명되어 있다.

소결법을 이용한 많은 진공차단기용 전극 제조법들중에서는 원료분말을 혼합하고 성형시킨 다음 이것을 소결하는 방법이 주류를 이루고 있고 이는 일본 특개소 50-55870호에서 설명된 방법과 유사하다.

소결법에 의한 전극의 제조는 항상 산화의 문제점을 수반한다. 일본 특개소 50-55870호에는 산화방지를 위한 조치로써 고진공에서 또는 환원분기에서의 소결을 제시하고 있다.

본 발명자들은 도전성 금속과 내화성 금속으로 구성되고 소결법으로 제조되는 전극이 내전압에서의 큰변동성을 가짐을 확인하였다. 원료분말이 먼저 탈가스되거나 소결이 진공에서 또는 환원 분위기에서 실행된다해도 내전압의 변동성은 거의 개선되지 아니한다.

이들 사실로부터 종래의 소결법을 이용한 전극 제조기술은 고내전압을 갖는 전극의 생산법으로서는 적당치가 못하다. 일본 특개소 50-55870호의 공보에서는 내전압 특성에 관하여 아무것도 설명되어 있지 아니하고 소결법과 내전압간의 관계에 관해서도 전혀 제시하지 아니하고 있다.

본 발명의 목적은 본질적으로 도전성 금속과 내화성 물질로 구성되고 고내전압을 가지며 내전압의 변동이 적은 진공차단기용 전극을 제조하는 방법을 제공하는데 있다.

본 발명은 도전성 금속분말과 이 도전성 금속 분말보다 고융점의 내화성 금속분말을 혼합하고 그 혼합물을 성형하며, 그 성형체를 수소 분위기에서 예비소결하고 그다음 예비소결체를 열간등압 압축성형 처리를하여 소결시키는 것이다.

열간등압 압축처리 단계에 있어서 예비소결체는 도전성 금속의 융점보다는 높고 내화성 금속의 융점보다는 낮은 온도로 가열함으로써 액상 소결되고 이것에 의하여 도전성 금속이 용해되어 그 일부가 소결체의 표면상에 스며 나온다.

본 발명은 진공 차단기용 전극의 소결수단으로써 열간 등압 압축성형 처리(이후 HIP 처리라함)을 사용하고 HIP 처리 이전에 수소 분위기내에서 예비소결을 행함으로써 전극의 내전압을 높일 수 있고 내전압의 변동 및 산란을 더 적게할 수 있음을 규명하는데 기초를 두고 있다.

단지 원료분말을 혼합하고 HIP 처리를 행함으로써는 내전압 특성 및 내전압에서의 변동이 개선될 수 없으며 이러한 방법은 진공 또는 환원성 분위기에서 원료를 소결하는 방법과 큰차이가 없다.

본 발명에서 사용된 전극물질은 본질적으로 도전성 금속과 내화성 금속으로 구성되지만, Pb, Bi, Sn와 같은 저융점 금속이 상기의 물질들에 추가로 포함될 수 있다. 도전성 금속은 Cu와 Ag으로부터 선택되고 이들중의 하나 또는 두가지가 사용될 수 있다.

이들 두가지가 사용될 때는 Cu와 Ag의 합금분말 또는 Cu 분말과 Ag 분말의 혼합물이 또한 사용될 수 있다. 내화성 물질은 도전성 금속보다 고융점을 가져야 하고 특히 내전압이 도전성 금속보다 더 높은 Cr, Co, Fe, Mo, W, Ta 및 Ni로부터 선택된 물질이 좋다. Cr은 이들 금속중에서 가장 바람직하다.

내화성 재료는 금속으로 제한되지 아니하고 세라믹이 또한 사용될 수 있다. 세라믹으로서는 각종의 금속산화물, 금속탄화물, 금속질화물, 금속붕화물, 금속규화물 들이 사용될 수 있다.

Cr을 포함하고 소결법으로 제조되며 서로 전기적으로 접촉되어 있는 전극들은 이들이 개방되었을 때 쉽게 분리될 수 있고, Cr이 고내전압을 가지고 있고 또한 Cr의 소결체가 매우 약하기 때문에 훌륭한 융접 저항을 갖는다.

내화성 재료로서 Co와 Fe이 사용될 때 융접 저항을 증가시키기 위하여 Pb,Bi 등의 저융점의 금속을 첨가할 필요가 있다. 그러나 Cr이 사용될때는 저융점의 금속을 첨가할 필요가 없기 때문에 전극재료의 성분은 단순화될 수 있다.

본 발명의 목적은 고내전압의 진공차단기용 전극을 제조하는 것이고 도전성 금속과 내화성 금속간의 성분비율에 관하여는 내화성 금속이 더큰 성분비율을 갖는 것이 좋다.

구체적으로 내화성 재료는 전체 전극중량의 50∼90%로 조정되는 것이 좋다. 전극이 Sn, Bi 같은 저융점 금속을 포함할 경우에 그 양은 전체 전극중량의 50% 이하로 조정되는 것이 바람직하다.

원료의 미립자 크기는 고밀도의 소결체를 얻기 위하여 가능한한 미세한 것이 좋고 200㎛ 이하 특히 100㎛ 이하인 것이 바람직하다. 예를 들면 일본 특허공보 소 54-8601호에서는 소결법을 이용하여 진공차단기용 전극을 제조할때에 HIP 처리를 하는 것이 알려져 있다.

그러나 그러한 공지의 방법에서는 원료분말을 캡슐에 봉입하여 HIP 처리를 하지만 HIP 처리 이전에 예비소결은 실행되지 아니한다. 또한 일본 특공소 54-8601호 공보에 기술된 발명의 목적은 필수 성분으로써 저융점 금속을 포함하는 전극에 있다.

비록 원료분말을 캡슐에 봉입하고 어떤 다른 처리없이 소결하기 위해 HIP 처리를 이는 방법을 도전성 금속과 내화성 금속으로 구성되는 전극제조에 응용하더라도 내전압을 높게하고 내전압에서의 변동을 방지하는 충분한 효과를 얻을 수가 없다.

상기한 바와 같이 본 발명은 필수단계로서 수소 분위기내에서 예비 소결하고 그 다음 HIP 처리를 하는 단계를 포함하고 여기에서 도전성 금속의 융점 이상 및 내화성 재료의 융점 이하의 온도에서 가열함으로써 액상 소결이 실행된다.

이 제조법에 의한 내전압의 향상 및 내전압 변동의 개선은 O₂와 같은 가스 또는 산화물의 전극으로의 주입이 크게 감소하고 전극의 순도가 높은 것이 크게 영향을 주는 것으로 생각되어 진다.

또한 전극 재료는 예비소결 단계에서 충분히 가스가 제거된 후에 HIP 처리 단계로 이동하며, 따라서 결함 및 밀도가 적은 소결체가 얻어지는 내전압 특성상의 개선에 기여하는 것으로 여겨진다.

본 발명에 따른 전극 제조법에서 먼저 전극 형태로 원료분말을 성형하고 수소 분위기내에서 성형체를 예비소결함으로써 산화물을 환원하는 것은 HIP 처리시에 전극의 형상이 변형되는 것을 방지하고 전극의 마무리 가공횟수를 감소시키며 재료의 생산률 향상에 효과를 가져온다.

실제로 원료분말을 캡슐내에 포함하여 HIP 처리를 하는 경우에는 원하는 전극형상을 형성하기가 어렵고 HIP 처리후에 소정의 형상으로 전극을 마무리하기 위해서는 상당이 많은 부분의 가공을 필요로 한다. 예비소결 단계 이전에 진공탈가스 처리 또는 환원 분위기에서 가열처리를 함으로써 먼저 원료를 탈가스 시켜두는 것은 고밀도 소결체를 얻기 위해 매우 바람직하다.

예비소결은 수소 분위기내에서 수행할 필요가 있다. 예비소결은 진공내에서 수행할 경우에는 산화물이 충분히 환원될 수 없다. 특히 Cr 산화물의 환원이 불충분하다. 진공내에서 예비소결된 재료가 HIP 처리를 받는다해도 내전압 특성은 거의 개선되지 아니한다.

예비소결 단계에 있어서는 원료분말을 용해함이 없이 고상소결을 행하는 것이 바람직하다. 예비소결에 있어서의 적당한 온도는 도전성 금속의 융점 바로밑의 온도가 좋다. 예비소결이 행하여지는 수소분위기의 노점(dew point)은 -70℃ 이하로 조정되고 고도로 정제된 수소 분위기내에서 산화물을 환원시키는 것이 좋다.

예비소결체의 가공율은 20% 이하가 좋고 이때문에 나중의 HIP 처리에서 가스가 조금 흡수되며 산화잔재 같은 결함이 적은 소결체가 얻어질 수 있다.

상기 언급한 바와 같이 고밀도 소결체는 먼저 수소 분위기내에서 예비소결한 후 HIP 처리를 받음으로써 제조될 수 있고 액상으로 소결한다. 고밀도 소결체가 얻어질 수 있는 이유는 대부분의 산화물이 예비소결시에 환원되고 기공내에 가스가 거의 흡수되지 못하기 때문에 기공이 HIP 처리 후 쉽게 효과적으로 파괴되어지기 때문이다.

또 도전성 금속이 용해되어 내화성 재료의 주의를 피복함으로써 산화물 제거 효과를 증대시키는 효과가 있다. 도전성 금속과 세라믹의 화합은 습윤도가 낮다. 종래의 소결법에 의해서는 조밀한 소결체을 얻기가 어렵다.

그러나 본 발명에 따른 HIP 처리 및 수소 분위기에서의 예비소결은 진공차단기 전극으로써 사용할 수 있는 충분한 강도를 지닌 소결체를 만들 수 있다.

HIP 처리에서의 가열온도는 도전성 금속이 용해하고 내화성 재료가 용해되지 않는 범위의 온도이다. 실제로 가열온도는 도전성 금속의 융점과 융점보다 200℃ 더 높은 온도 사이의 것이 좋다.

HIP 분말과 세라믹 분말이 수소 분위기내에서 소결되는 실험에 의하면 예비소결체가 금속 캡슐내에 봉입되고 HIP 처리는 2000㎏/㎠의 고정압력으로 수행되며, 소결체에 흡수된 가스는 매우 적고 소결체는 매우 고밀도로 된다.

또 HIP 처리의 경우에는 예비소결체를 캡슐에 넣어 진공에서 가열 및 탈가스하는 동안 캡슐을 봉합하는 것이 좋다. 그렇게 함으로써 냉각시에 재산화 되는 것을 방지할 수 있고 캡슐에서의 탈가스 효과는 크게 향상된다.

HIP 처리는 아르곤 가스 또는 질소가스를 사용하여 행할 수 있다. 이때 캡슐이 소결체로부터 제거되고 소결체는 소정의 전극형상으로 가공됨으로써 마무리 된다.

입자의 지름이 약 70㎛인 Cr 분말과 입자의 지름이 약 50㎛인 Cu 분말이 사용되고, 60중량%, 80중량% 및 90중량%의 Cr과 잔류 Cu를 각각 건식으로 혼합하여 제1도에 도시한 처리에 따라 전극을 제조한다.

혼합은 약 한시간 동안 자동유발(Automatic mortor)을 이용하여 실시한다. 혼합된 분말은 약 3000㎏/㎠의 압력으로 프레스하여 직경 약 50㎜, 두께 10㎜의 성형체로 성형된다. 성형체의 기공율은 25∼30%이다.

성형체를 1000℃의 온도로 가열하고 그 노점이 -70℃ 이하인 범위로 정제된 고순도 수소 분위기에서 한시간 동안 그 온도를 유지함으로써 성형체는 예비소결된다. 이 예비소결이 완성된 후의 기공률은 5∼15%로 감소된다. 또 이때 HIP 처리를 위한 전처리로서 제2도에 도시한 바와 같이 진공 캡슐 봉인이 행하여진다.

즉 상기 언급한 예비소결체가 실제로 남아있을 때 밀도는 아직 충분히 상승되지 않으며 따라서 예비소결체 내부의 기공은 완전히 밀폐되지 아니한다. 그러므로 실제의예비소결체가 캡슐을 사용하지 않고 HIP 처리를 받는다면 예비소결체는 조밀하게 될 수 없다. 그러므로 예비소결체는 캡슐내에 넣어져서 진공하에서 봉인된다. 모든 캡슐에 HIP 처리를 행한다.

이 예에서는 두께 3㎜의 연강캡슐(2)이 사용되고 이 캡슐은 약 900℃로 가열되며 캡슐을 진공으로 탈가스하는 동안 진공상태에서 밀봉된다. 또 다수의 예비소결체(1)를 동시에 캡슐에 넣어서 HIP 처리를 행하면 예비소결체(1)는 서로서로 점착되어 분리할 수 없게 된다. 그러므로 알루미나 분말(3)을 제2도에 도시한 것처럼 캡슐(2)과 각각의 예비소결체(1) 사이의 간격에 채운다. 참조숫자 4와 5는 각각 챔버와 가열로를 가리킨다.

상기의 방법으로 봉인된 캡슐은 챔버(4)에 배치하여 HIP 처리를 행한다. 가압 매체는 챔버(4)에 유입된 아르곤 가스이고 압축력은 약 2000㎏/㎠이다. 제2도의 화살표는 아르곤 가스에 의해 가해지는 고정압력을 나타낸다. 가열온도는 1300℃이다.

이 HIP 처리에 이하여 소결체의 Cu 성분은 완전히 액상으로 되고 이 때문에 액상 소결이 행하여진다. 진공차단기용 전극으로써의 전기적 성능은 상기의 방법으로 제조된 전극을 사용하여 실험한다. 그 결과는 제3도와 하기의 표로 나타내었다.

또 비교재로써는 Cr의 다공성 소결체에 Cu를 스며들게 함으로써 제조된 전극을 사용하고 그 성능은 표에 나타내었다.

내전압 테스트에서는 10회 차단시킨 전극을 클리닝한 후 임펄스 전압을 5KV의 스텝에서 인가하여 방전전압을 측정하였다. 전극간격은 2.5㎜이다.

측정은 10회 실시하였다. 초핑(Chopping)전류의 측정은 100V의 저압회로를 사용하여 100회 실시하였고 최대치와 평균치를 얻었다. 차단 성능 테스트에 있어서 차단전류는 500A에서 1000A로 단계적으로 증가시킴과 동시에 전압도 증가시키면서 인가하여 차단한 계를 얻었다. 이 경우에 전극의 직경은 20㎜이었다.

[표 1]

비교재

본 발명에 따른 번호 1∼3의 전극은 제3도에서 보인 바와 같이 번호 4의 비교재에 비하여 내전압이 더 높고 내전압 변동이 적다. 초핑전류와 차단한계에 괸해서는 번호 1∼4의 전극간에 큰 차이가 없다.

Claims (7)

1. Cu와 Ag으로 구성되는 족(group)으로부터 선택되는 적어도 하나의 원소를 포함한 도전성 금속분말과 상기 도전성 금속분말 보다 더 높은 융점을 갖는 내화성 재료분말을 혼합하는 단계와, 그 혼합물을 성형하는 단계와, 성형체를 소결하는 단계를 포함하는 진공 차단기용 전극의 제조방법에 있어서, 수소 분위기내에서 성형체를 예비소결하는 단계와, 상기 예비소결 단계보다 더 높은 온도에서 예비소결체에 열간 등압 압축 성형 처리를 가함으로써 액상 소결하고 상기 도전성 금속이 상기 열간등압 압축성형 처리시에 용해되어 그 용해된 금 속의 일부가 소결체 표면상에 스며 나오도록 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 진공차단기용 전극제조법.
2. 제1항에 있어서, 상기 예비소결 단계는 -70℃ 이하의 노점인 고순도 수소 분위기에서 행하여지는 것을 특징으로 하는 진공차단기용 전극제조법.
3. 제1항에 있어서, 상기 내화성 분말은 Cr 분말인 것을 특징으로 하는 진공차단기용 전극제조법.
4. 제1항에 있어서, 상기 예비소결체의 기공률은 20% 이하인 것을 특징으로 하는 진공차단기용 전극제조법.
5. 제1항에 있어서, 상기 열간 등압 압축성형 처리에서의 가열온도의상한선은 상기 도전성 금속의 융점보다 200℃ 더 높은 온도인 것을 특징으로 하는 진공차단기용 전극제조법.
6. 제1항에 있어서, 상기 열간 등압 압축성형 처리시에 진공배기, 가열 및 탈가스시키는 동안 상기 예비소결체를 캡슐내에 봉입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 진공차단기용 전극제조법.
7. Cu 분말과 Cr 분말을 혼합하는 단계와 그 혼합물을 성형하는 단계와, 그 성형체를 소결하는 단계를 포함하는 진공차단기용 전극제조법에 있어서, 고상소결을 행하기 위하여 Cu의 융점 바로 아래의 온도로 고순도 수소 분위기내에서 상기 성형체를 예비소결하는 단계와, 상기 캡슐을 진공배기하고 가열하며 탈가스시키는 동안 상기 예비소결 단계에서 형성된 다수의 예비소결체를 캡슐에 봉입하는 단계와, Cu의 융점과 그 융점보다 200℃ 더 높은 온도로 상기 진공봉인된 캡슐을 열간 등압 압축성형 처리함으로써 상기 예비소결체가 액상 소결되고 그 소결체의 Cu 성분이 용해되어 용해된 Cu의 일부가 상기 소결체의 표면상에 스며나오게 하는 단계와, 상기 캡슐을 상기 소결체로부터 분리하는 단계와, 전극을 형성하기 위하여 상기의 각 소결체를 가공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 진공차단기용 전극의 제조법.

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