KR920007749B1 - 진공밸브용 접점재료 - Google Patents

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요시나리 사또
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내용 없음.

Description

진공밸브용 접점재료
제1도는 본 발명에 의한 진공밸브용 접점재료가 적용되는 진공밸브의 단면도.
제2도는제1도의 진공밸브의 전극부위의 확대단면도.
본 발명은 진공밸브, 진공회로차단기 또는 진공회로 단속기용 소결합금, 구체적으로는 향상된 전류차단 특성 및 고주파 아크제거 특성(high-frequency arc-extinguishing charaoteristic)을 갖는 진공밸브용 접점재료에 관한 것이다.
진공중에서의 아크(arc)확산성을 이용하여 고진공중 전류차단을 행하는 진공밸브용 접점은 두 개의 대향접점, 즉 고정 및 가동 접점으로 구성된다. 전동기부하와 같은 유도성 회로의 전류가 진공밸브에 의해 차단되는 경우, 과도한 이상 서어지(surge)전압이 발생하여 부하기기가 파괴될 위험성이 있다.
이와같은 이상 서어지 전압발생 원인은 소전류가 진공중에서 차단될 때 발생하는 차단 현상(교류전류 파형이 자연히 영(0)점에 달히기 전에 강제적 전류차단이 행해진다.)과 고주파 아크제거 현상과 같은 현상에 기인된 것이다.
상기 차단현상에 의한 이상 서어지 전압의 Vs값은 회로의 서어지 임피던스 ZO가 전류 차단값 IC의 곱으로 나타낸다. 즉, Vs=ZoㆍIc이다. 따라서, 전류차단값 IC를 감소시켜야한다.
상기의 요구를 충족시키기 위해서는 텅스텐 카바이드(WC)-온(Ag)합금으로 구성된 접점을 사용하는 진공개폐기가 개발된 바 있고 (일본특원소 68447/1967과 미국특허 제3,683,138호), 이러한 진공개폐기들은 이미 실용화되었다.
상기 Ag-WC계 합금의 접점은 하기와 같은 특징을 갖는다 :
(1) WC는 전자방출을 용이하게 한다.
(2) 전개방출전자들의 충돌에 의한 전극면의 가열에 의해 접점재료의 증발이 촉진된다.
(3) 아크로써 접점재로의 탄화물을 분해하고 하전체를 생성하는 아크를 지속시키는 등의 뛰어난 저차단 전류특성을 발휘한다. 저차단 전류특성을 발휘하는 또하나의 접점재료로는 비스무트(Bi)-구리(Cu) 합금이 있다.
이러한 재료는 진공밸브 제조에 실용화된 바 있다.(일본특공소 14974/1960, 미국특허 제2,975,256호, 일본특공소 12131/1966 및 미국특허 제3,246,979호) 이들 합금들 중에서 10중량%의 비스무트를 함유하는 것들이 적절한 중기압 특성을 갖고 있으며, 그에 따라 저차단 전류특성을 나타낸다. 0.5중량%의 비스무트를 함유하는 것들(일본특공소 12131/1966)은 결정입계에서 Bi가 편석(偏析)되어 합금자체가 약해진다.
그래서, 저용착 개리력(low welding opening force)이 얻어지며 이들 합금들은 뛰어난 대전류 차단성을 갖는다.
저차단 전류특성을 갖는 또하나의 접점재료로는 Ag 대 Cu의 비가 거의 7 : 3인 Ag-Cu-WC합금(일본특원소 39851/1982)이 있다. 이 합금에서는 종래에 사용되지 않은 Ag와 Cu의 조합이 선택되어 안정된 차단전류 특성이 얻어진다.
또한, 일본특원소 216648/1985에는 입경이 0.2-1㎛(예, WC의 입경)인 내호성 재료가 저차단 전류특성을 개선하는데 효과적임이 시사된바 있다.
진공차단기에는 저 서어지특성이 요구되므로, 저차단 전류특성(저차단 특성)이 종래의 기술에서 요구되어 왔다.
최근, 전동기와 같은 유도성회로와 고서어지 임피던스 부하에 대한 진공밸브의 적용이 증가되고 있다. 따라서, 진공차단기는 보다 더 안정된 저차단 전류특성과 만족할만한 고주파 아크제거 특성(고주파 전류차단적)을 겸비하는 것이어야한다. 왜냐하면 전류차단에 의한 서어지외에도 다중 재점화(multiple reignition)에 의한 서어지가 부하의 절연에 바람직하지 못한 것으로 판명되었기 때문이다.
현재까지는 상기 두가지 특성을 모두 만족하는 접점배료가 개발된 바는 없다.
즉, 상기에 설명한 전류차단에 의한 서어지(과전압)은 전류차단 값을 낮추어 개선할 수 있으나, 반복 고주파 재점화(repeated high-frequency reignition)에 의한 서어지의 경우는 전류차단후 전극간에 절연파괴 발생시의 회로조건에 의존하는 고주파 전류를 차단함으로써 회복전압치가 증대되며, 또한 전극간 절연파괴 발생과정의 반복에 의해 회전전압치가 발생되어 과대 서어지 전압이 발생한다.
이 경우, 고주파전류를 소멸시키기 위한 서어지가 발생되며, 이 발생된 서어지는서어지 전압이 감소되도록 고주파 아크제거 특성을 개선하여 저감시킬 수 있다. 그러므로, 고주파 전류 방전의 아크 재연속(arc reestablishment)의 개선 및 안정화가 필요하다.
WC-Ag 합금류로 구성된 접점(일본특원소 68447/1967 및 미국특허 제 3,683,138)은 그의 차단전류치가 불충분하여 고주파 아크제거 특성의 개선이 중시되지 않는다.
10중량% Bi-Cu합금류(일본특공수 14974/1960와 미국특허 제2,975,256호)는 전극간 주입되는 금속공급양이 개폐횟수가 증가함에 따라 감소된다. 고증기압을 갖는 원소의 양에 따라 저차단 전류특성과 내전압성의 훼손이 발생한다. 또한, 고주파 아카제거 특성이 완벽히 만족스럽지 않다.
0.5중량% BI-Cu합금(일본특공소 12131/1966와 미국특허 제3,246,979)은 그의 저차단 전류특성이 불충분하다. Ag 대 Cu의 중량비가 거의 7 : 3인 Ag-Cu-WC합금류(일본특원소 3985/1982)와 내아크성 재료의 입경이 0.2-1㎛인 합금류(일본특원소 216648/985)도 그들의 고주파 아크제거 특성이 완벽하게 만족스럽지는 않다.
본 발명의 한 목적은 뛰어난 저차단 전류 특성과 고주파 아크제거 특성을 겸비하여 강도 높은 조간하에서의 진공차단기의 요건을 만족하는 접점재료를 제공하는데 있다.
상기의 설명으로 Ag-Cu-Wc로 된 접점재료는 Ag와 Cu의 함량, 이들의 중량비와 상태를 최적화하고 내아크성(arc-proof)성분 WC의 입경을 더욱 미세하게 함으로써, 본 발명의 상기 목적을 효과적으로 성취할 수 있음을 알 수 있을 것이다.
본 발명에 의한 진공밸브용 접점재료는 Ag와 Cu로 구성된 고전도선 성분과 WC로 구성되는 내아크성 성분을 포함하며,
(i) 상기 고전도성 성분의 함량은 Ag와 Cu의 총량(Ag＋Cu)이 25-65중량%이며, Ag와 Cu의 총량에 대한 Ag의 백분률 [Ag/(Ag＋Cu)]이 40-80중량%가 되게끔 조성되고,
(ii) 상기 내아크 성분의 함량이 35-75중량%이고,
(iii) 상기 접점재료의 구조가 하나의 매트릭스와, 그 불연속선이 두께 또는 너비가 5㎛ 이하인 고전도성 성분의 불연속상(discontinuous phase)과, 입경이 1㎛ 이하인 상기 내아크성 성분의 불연속 입자를 포함하며,
상기 고전도성 성분의 불연속상은 5㎛ 이하의 간격으로 상기 매트릭스내에 미세하고 균일하게 분산되어 있는 것이 특징인 진공밸브용 Ag-Cu-WC접점재료에 관한 것이다.
본 발명의 양호한 일실시예에서는 상기 접점재료는 Co로 구성된 제1보조성분을 1중량% 이하의 양으로 함유할 수 있다.
본 발명의 양호한 일실시예에서는, 상기 접점재료는 C로 구성된 제2보조 성분을 1ppm∼10×102ppm의 양만큼 추가 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서는 두께 또는 너비가 5㎛ 이하인 고전도성 성분의 불연속상이 상기 매트릭스내에 5㎛ 이하의 간격으로 미세하고 균일하게 분산된 상태를 나타내는 부분에서, 상기 고전도성 성분의 매트릭스 및 불연속상은 (i) Ag을 용해시킨 Cu고용체와 Cu를 용해시킨 Ag 고용체이거나 (ii) Cu를 용해시킨 Ag고용체와 Ag를 용해시킨 Cu고용체이다.
본 발명의 양호한 일실시예에서, 제1보조성분 Co는 그 평균입경이 10㎛ 이하이며 그 일부 또는 전체를 Ni 및/또는 Fe로 치환시킬 수 있다.
본 발명의 또 하나의 양호한 실시예에서, 제2보조성분 C는 그 평균입경이 1㎛ 이하이며, 고전도성 성분의 불연속상과 내아크 성분의 불연속 입자의 계면에 유리탄소로서 고도로 분산되어 있다.
본 발명의 또다른 양호한 일실시예에서, 두께 또는 너비가 5㎛ 이하인 고전도성 성분의 불연속상이 상기 매트릭스내에 5㎛ 이하의 간격으로 미세하고 균일하게 분산된 상태가 50면적% 이상의 고전도성 성분 총량을 포함하는 것을 특징으로 한다.
전류차단 특성의 개선을 위해서는, 그 자체의 전류차단치를 보다 낮은 값으로 유지시키는 것이 대단히 중요하다. 또, 그의 분산거리를 감소시키는 것 역시 대단히 중요하다. 상기에 설명한 전류차단현상은 접점간 증기량(재료의 물성으로서 증기압 및 열전도)과 접점재료에서 방출된 전자와 상관관계가 있는 것으로 보여진다. 본 발명자들의 실험에 의하면, 전자가 후자보다 더 큰 비중을 가짐이 밝혀졌다. 따라서 본 발명자들은 증기공급량을 촉진하거나 공급이 용이한 재료로 접점을 만들면, 전류차단현상을 완화시킬 수 있음을 밝혀내었다. 상기에서 설명한 Cu-Bi합금은 저차단치를 가지나, 이러한 Cu-Bi합금은 Bi의 융점이 낮아서(271℃), 600℃ 근방의 온도에서 소부(baking)시 또는 800℃에서 통상 진공밸브에 대해 은땜질(Silver brazing)시 Bi가 용융되는 치명적 단점을 갖는다.
이 용융된 Bi가 이동, 응집되어 전류차단 특성을 유지시켜야 할 Bi의 상태가 불균일해진다. 그러므로써, 전류차단치의 분산폭이 증가하는 현상이 관찰된다.
한편으로는 Ag-WC로 표시되는 Ag 및 아크성 재료형 합금의 경우는 하기와 같은 결함이 나타난다. 내아크성 재료(이 경우, WC)이 비점에서의 Ag증기량에 따라 결과는 다르게 나타나지만, Ag의 증기압은 상기에 설명한 Cu-Bi계의 Bi의 것보다 현저하게 낮아서, 음극점이 고정되는 접점의 성분(Ag 또는 내아크성 재료)에 따라 온도저하, 즉 증기압 부족을 초래한다.
결과적으로, 전류차단치의 분산폭이 뚜렷해진다는 것이 확인되었다. Ag와 내아크성 재료의 조합으로된 합금을 사용하여 전류차단 종기에서 접점면의 급격한 온도저하를 저지시키고 아크(arc)를 유지하는 것은 어려운 일로 고찰되며, 고성능화를 위해서는 보조기술이 필요하다는 결론에 도달했다. 일본특원소 39851/1982는 상기의 내용들을 개선된 방법이라고 기술한 바 있다. 이 일본특원소는 고전도성 성분으로서 Ag-Cu합금을 사용하여 결정입자들을 미세하게 분산시키는 기술을 개시한다.
이 기술에 의하면, 그 생성물의 특성들이 비약적으로 안정화된다. 아크가 주로 고착되는 위치는 내아크성 성분 또는 Ag-Cu합금이다.
어느 경우이든, Ag-Cu증기의 공급에 의한 전류 차단현상이 완화된다(개선된다). 그러나, 상기 아크가 상기 내아크성 성분에 고착될때는 약간의 분상이 발생될 수 있다.
한편으로는 내아크성 성분을 미세화하므로써 상기 분산폭을 개선할 수 있고, 따라서 이것은 내아크성 성분의 일경이 전류차단현상에 중요한 역할을 한다는 것과 그 입경은 편석에 관찰되는 (내아크성 성분의 입경이 그 초기입경의 10-20배 크다)접점재료의 경우에 현저한 분산이 나타난다는 관찰결과를 고려하여 특정범위 이내에서 사용해야 한다는 것을 시사한다.
일본특원소 39851/1982에 기술된 바와 같이, Ag 및 Cu의 양, 특정치를 갖는 WC입경을 조절함으로써 그 차단 전류특성을 개선할 수 있지만, 상기에 설명된 기술은 보다 낮은 차단 전류특성을 제공못할 뿐만 아니라 고주파 아크제거 특성도 보장하지 못한다. 구체적으로, 상기 일본특원소 39851/1982에 설명된 기술로는 고주파 아크제거 특성을 개선할 수 없다.
상기에 설명한 바와 같이, 다중 재점화에 의한 서어지는 전류차단후 전극간에 절연파괴 발생시의 회로조건에 따라 흐르는 고주파 전류를 차단하므로써 회복 전압치가 증가되며, 또한 회복 전압치는 절연파괴가 전극간에 발생하는 과정의 반복에 의해 증대되므로써 과대 서어지 전압이 발생한다. 이 과대 서어지 전압을 억제하기 위해서는 상요 주파수의 부하전류가 미소한 전극간격의 절연파괴시 고주파 전류방전의 아크제거 없이 성립될때까지 아크재연속을 행하는 것이 바람직하다.
상기 사용주파수의 부하전류가 성립되면 차기 전류 0점이 도달될때까지 전극간에 충분한 간격거리로 차단기가 열린다 따라서, 전류 0점 도달후의 전극간에 절연파괴 또는 반복없이 전류차단이 완수된다. 그러므로써, 상기의 과대 서어비 전압이 발생치 않는다.
고주파 아크제거 능력이 감소되는 경우, 아크 재연속 상태가 아니 경우라도 고주파 재점화에 의한 서어지가 감소된다.
즉, 미소전극간 간격의 고주파 전류방전의 아크 재연속 특성을 개선하여야 한다. 본 발명에서는, 상기 아크 재연속 특성을 개선하기 위하여 첫째, 고전도성 재료인 Ag와 Cu가 공존하는 재료를 사용한다. 이에는 (1) Cu를 용해시킨 Ag고용체와 (2) Ag을 용해시킨 Cu고용체로 된 하나의 매트릭스와 하나의 불연속상(층형 조직 또는 막대형 조직)이 형성돼 있다. 상기 불연속상의 두께 또는 너비는 5μ 이하이며, 상기 매트릭스내에 5㎛ 이하의 간격으로 미세하고 균일하게 분산되므로써 아크스폿(spot)의 직경과 동일하거나 또 바람직하게는 더 작게끔 고전도성 성분이 설계된다. 그 결과로, 아크의 유지 및 지지를 주기능으로 하는 Ag 및 Cu성분(이하 아크 유지재라 한다)의 융점이 강하되는 동시에 증기압이 상승된다.
둘째, 그 평균입경이 1㎛ 이하, 바람직하게는 0.8㎛ 이하인 WC입자를 팩한다. 이 요건은 상기 아크 유지재의 분산을 더욱 더 고도로 미세하게 분산된 상태로 전환되는 것을 돕는다.
상기 아크유지재(Ag와 Cu)의 함량과 그 함량미만이 특정 범위내에 규정되는 경우라도 차후의 실시예들과 비교예들에서 알 수 있는 바와 같이, 바람직한 저차단 특성과 바람직한 고주파 아크제거 특성을 동시에 얻을 수는없다.
본 발명에 의하면, 상기 아크유지재(Ag와 Cu)의 구조는 WC입자의 평균입경의 소정치와 아크유지재의 소정치를 조합 사용함으로써 고도로 미세화하고 안정화시킬 수 있다.
통상 고증기압을 갖는 재료의 아크중 이온의 전하는 낮아지는 경향이 있다(Journal of Applied Physics 1973년도 판, Vol.44.No.7 3074페이지에 기재된 CW컴블린에 의한 ＂Errosion and Ionization in the Cathode Spot Regions of Vacuum Arcs＂ 참조). 즉, 증발량이 증가할 뿐만 아니라 이온가가 낮은 다수의 이온들이 아크내에 존재한다.
따라서, 미소 전극간 간격의 고주파 전류방전중 전류 0점이 도달될 때 본 발명에 의한 미소 전극간 간격내의 잔류 플라즈마량(즉, Ag와 Cu가 존재하여 소정 요건에 부응한다)이 아크유지재가 Ag만으로 된 경우의 것보다 또는 아크유지재가 Cu만으로된 경우의 것보다 더 크며, 이것은 본 발명의 목적이 저차단 특성과 고주파 아크제거 특성의 동시 확보에 바람직하다.
Cu이온 질량이 Ag이온 질량보다 더 작으므로, 전류 0점시 Cu이온의 이온 유동속도가 Ag이온보다 크다(Cu : 930m/sec, Ag : 630m/sec)(상기 문헌참조). 따라서 전극과 충돌시 얻어지는 Cu의 에너지가 Ag의 것보다 크다. 전극은 이온 충격에 의해 국부적으로 가열되며, 이 가열과 상기 설명한 잔류 플라즈마량에 의한 효과의 상승효과(synergism)가 얻어지므로써, 고주파 소전류 방전시 전류 0점이 도달되는 경우라도 전극표면에 새로이 음극으로 되는 새로운 음극점의 생성이 용이하며, 그러므로 고주파 소전류 방전시 아크제거 특성이 개선된다.
본 발명의 접점재료는 상기와 같은 개선된 아크 재연속 특성을 갖으므로, 미소전극간 간격에서 절연파괴가 발생하는 경우라도 상용고주파 부하전류의 성립이 용이하다. 결과적으로, 0.5주기의 아크시간이 연장된다.
전극이 충분히 개리된 후에 전류 0점이 도달되기 때문에 서어지 전압의 발생이 억제될 수 있다. 그러므로, Ag와 Cu의 함량 및 함량비 및 그 존재상태가 소정치로 정해지고, 내아크성분 WC의 입경을 더욱 미세화하므로써 저차단 특성과 고주파 아크제거 특성이 동시에 개선될 수 있다.
본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.
제1도는 진공밸브의 단면도이며, 제2도는 진공밸브의 전극부의 확대단면도이다.
제1도에서, 참고번호 1은 차단실을 나타낸다. 이 차단실 1은 절연재료로 된 관형 절연용기 2와 그의 양단부에서 봉합금속 이음쇠 3a와 3b에 의해 접속되는 금속캡 4a와 4b등의 수단들에 의해 기밀상태로 되어 있다.
도전봉 5 및 6의 각 대향단부에 부착된 전극쌍 7 및 8이 상기 설명된 차단실 1 내부에 장치된다. 상부전극 7을 고정전극으로, 하부전극 8을 가동전극으로 하였다. 상기 가동전극 8의 도전봉 6에 벨로우즈 9가 장치되므로써 차단실 1이 기밀상태로 유지되면서 전극 8의 축방향 이동을 가능하게 한다. 이 벨로우즈 9가 아크와 금속증기로 덮히는 것을 방지하기 위하여 이 벨로우즈 9의 상부에 금속성 아크 차페부 10이 장치된다.
참고번호11은 차단실 1 내부에 장치되어 상기 설명한 전극 7 및 8을 덮는 금속성 아크차폐부를 나타내며 이것은 절여용기 2가 아크와 금속증기로 덮히는 것을 방지한다. 확대도를 나타난 제2도에서 보듯이 전극 8은 땜질부 12에 의해 상기 도전봉 6에 고정되거나 또는 코오킹(caulking)에 의해 압착 접속된다.
접점 13a가 14의 땜질부로 전극 8에 부착된다. 접점 13b는 땜질로 전극 7에 부착된다.
접점재료 제조방법의 일실시예를 하기에 설명한다. 제조에 앞서, 필요 입경별 내아크성 성분과 보조성분들을 선별한다. 예를들면, 체분법과 침강법을 범용하여 소정 입경의 분말을 선별해낼 수 있다. 우선, 소정 입경의 WC소정량, Co 및/또는 C 및 소정 입경의 Ag 소정량의 일부를 준비하여 혼합한 후, 가압성형하여 분말성형체를 얻는다.
이후, 상기 분말 성형품을 이슬점 -50℃ 이하인 수소분위기하에서 또는 소정온도, 예를들면 1,150℃(1시간동안의 온도와 1.3×10-1Pa이하의 진공중에서 소성하여 소성체(calcined body)를 얻는다.
이후, 소성체의 잔존 공극 내부로 소정 함량비의 Ag-Cu소정량을 1,150℃에서 시간 동안 용침시켜Ag-Cu-Co-WC합금을 얻는다.
이 주입과정은 주로 진공중에서 행해지나 수소중에서 행할 수도 있다. Co를 함유하지 않는 Ag-Cu-WC의 경우에서도 상기와 동일한 방법으로 행해진다. WC 및/또는 Ag-Co에 C를 먼저 혼합한 후, 소성체를 얻는다.
상기 합금의 전도성 성분비 Ag(Ag＋Cu)를 하기와 같이 제어하였다. 예를들어 소정 비율의 Ag/(Ag＋ Cu)를 함유하느 주괴(ingot)를 1,200℃하 1.3×10-2Pa의 진공중에서 용해한 후 그 생성물을 절단하여 용침용 소재로 사용하였다. 상기 전도성 성분비 Ag/(Ag＋Cu)를 제어하는 또다른 방법은 Ag 또는 Ag＋Cu의 소정량의 일부를 WC와 먼저 혼합한후, 잔존 Ag 또는 Ag＋Cu를 용침시켜 소성체를 제조하므로서 행해질 수 있다. 그러므로써, 바람직한 조성을 갖는 접점형성용 합금이 얻어질 수 있다.
본 발명의 실시예들에서 얻어지는 데이터 측정방법과 그 측정조건을 하기에 설명한다.
(1) 전류차단 특성
각 접점을 취부하고 10-3Pa 이하까지 배기시켜 어셈블리형 진공밸브를 제조했다. 이 진공밸브를 0.8m/sec이 개극속도(opening rate)로 개극하고 소유도 전류차단시의 차단전류를 측정하였다. 차단전류는 20암페어(실효값)이였고 주파수는 50HZ였다. 개극위상(openihg phase)은 랜덤하게 수행되었고 전류차단이 각각의 세접 점에 대해 500배로 수행될때의 차단전류치를 측정하였다. 상기 측정치들의 평균과 최대값을 표 1-6에 나타냈다. 표의 수치는 실시예 2의 차단전류의 평균치를 1.0으로 한 상대적인 값이다.
(2) 고주파 아크제거 특성
소유도 전류 개폐시의 전류차단에 의한 부하측의 과전압 발생시, 이 과전압과 전원전압간 전위차가 진공밸브 전극간에 걸린다. 상기 전극들의 전압이 접점간격의 내전압치를 초과하는 경우, 절연 파괴 방전이 발생하며 순간 고주파 전류가 접점에 통전된다. 이 고주파 전류차단시 상기 접점의 원래 단계로 돌아오며 과전압이 발생되고, 이 과전압이 접점간극의 방전발생을 초래한다. 이후, 다중 재점호 현상과 같은 반복현상이 발생한다. 진공회로 차단기와 같은 고주파 아크제거 특성을 갖는 차단기의 경우에서는 이들의 대서어지 전압이 어떤 호로조건하에서 다중 재점화에 의해 발생되며 부하기기(전동기 또는 변류기)의 절연이 손상될 수 있다.
고주파 아크제거 능력이 작을수록 재점화 반복이 더 어려워지는 것으로 알려져 있으며, 그러므로써 발생된 서어지 전압이 작아진다.
각 접점의 고주파 아크제거 특성을 시험하기 위하여, 각 접점을 취부하고 10-3Pa 이하까지 배기시켜 진공밸브를 제조하고, 상기 진공밸브를 삽입한 차단기를 제조하였다. 이 차단기를 이용하여 6.6kV, 150kVA의 단상변류기의 부하전류 차단시험을 행하였다. 상기 차단기와 변류기를 길이가 100m인 6.6kV단상 XLPE케이블(도체의 횡단면 면적은 200㎡)로 접속하였다.
사용된 부하전류는 10암페어(실효값)였고, 사용된 차단기의 개극속도는 0.8m/sec(평균치)였다.
상기 차단기의 객극위상을 조절하였고, 다중 재점화가 발생된 위상에서 전류를 차단하였다.
다중 재점화 발생시 회로에 통정되는 과도적 고주파전류의 주파수는 차단기주위의 인덕턴스와 전원 및 부하측의 부유 용량(floating capa-citance)에 의해 결정된다. 본 시험에서, 상기 고주파 전류의 주파수는 약 100kHZ였다.
고주파 아크제거 능력을 하기와 같이 측정하였다. 각 접점의 전류차단 시험을 20회 행한후 개국후 1ms 경과후의 고주파 아크제거 능력을 측정하였다.
표의 수치들은 실시예 2에서 얻은 고주파 아크제거 능력(전류를 상기의 조건하에서 차단시 전류 0점의 전류감소율 : di/dt[A/μ sec]을 100%로 했을때에 대한 상대적 수치이다.
시료용 접점(Contact under Test)
시료용 접점의 원료와 각각의 특성 데이터를 표 1∼6에 나타냈다.
표에 나타난 바와같이 Ag-Cu-WC-Co합금내의 Ag＋Cu양은 14.3중량%-82.2중량% 범위내에서 변화되었으며 Ag＋Cu 대 Ag의 비율(Ag/Ag＋Cu)도 0∼100중량% 범위내에서 변화되었고 Ag와 Cu의 존재상태 즉, 두께 또는 너비가 5㎛ 이하인 고전도성 성분의 불연속상(층상 또는 봉상조직)이 매트릭스내에 5㎛이하의 간격으로 미세하고 균일하게 분산된 상태의 영역에 의해 점유되는 비율은 75-100면적%, 50면적%, 25면적% 및 10면적% 이하로 구별된다. 이 값들은 각 접점의 냉각속도, 즉 700℃∼1000℃ 이상의 온도 범위내에서 온도가 100℃만큼 강하시키는 평균 냉각속도로 조절하여 얻은 것이다.
예를들어 상기 값들은 바람직하게는 6℃/분의 냉각속도로 응고하여 얻은 것이다. 0.6℃/분 이하의 냉각속도는 Ag와 Cu의 분산에 불리하다.
또한, 입경 0.1㎛∼9㎛인 WC로 된 접점을 시험하였고, Co를 보조성분(Co=0.05∼3.0㎛)으로 사용한 접점과 Co를 사용하지 않은(Co=0)접점과 입경이 0.1∼44㎛인 Co를 사용하여 얻은 접점들을 시험하였다.
상기 시험의 조건과 해당 결과를 표1∼6에 나타냈다.
[실시예 1∼3과 비교예 1∼2]
평균입경이 0.7㎛인 WC분말과 평균 입경이 1.5㎛인 Co분말을 제조한 다음, 이들을 소정 비율로 혼합한 후 0∼8t/㎠의 범위내에서 적정성형압력을 택하여 성형하여 소결후의 잔존 공극량을 조정한다. 상기 합금의 양이 큰 경우(실시예 3 : Ag＋Cu=65중량% ; 비교예 2 : Ag＋Cu=82.2중량%)에는 성형압력이 특별히 감소된 방법 또는 Ag＋Cu의 일부를 WC 및 Co와 먼저 혼합하여 얻은 혼합물을 성형하는 방법을 사용한다. 상기 혼합물을 성형한 후, 하기의 방법을 사용한다. 실시예 1 및 비교예 1에서는 상기 혼합물을 에를 들면, 1,100∼1,300℃의 온도에서 소결하여 WC-Co소결체를 얻는다.
실시예 2 및 3 및 비교예 2에서는, 상기 혼합물을 1,100℃ 미만의 온도에서 소결하여 소결체를 얻는다. 이러므로써, Ag와 Cu가 공극량이 상이한 상기 소결체의 공극내로 용침되어 결국에는 Ag-Cu-Wc-Co합금중의 Ag＋Cu양이 14∼82중량%(비교예 1 및 2와 실시예 1∼3)인 합금을 얻는다.
이 접점소재를 소정의 형태로 제조하고 상기에 설명된 조건하에서, 상기 설명된 방법으로 차단특성 및 고주파 아크제거 특성을 평가한다.
상기에 설명된 바와 같이 전류차단을 500회 행했을때의 특성과 비교하여 차단특성을 평가했다. 표1 및 2에 나타난 비교예 1∼2 및 1∼3로부터 알 수 있는 바와 같이, 실시예 2의 평균차단치(Ag＋Cu=46.1중량%, Ag/(Ag＋Cu)=73.5%)를 1.0(특성의 손상을 나타내는 평균 차단치의 증가)으로 나타냈을 때, 상기 합금내 상기량의 Ag＋Cu량을 사용하여 얻은 평균차단치는 2이하이다. Ag＋Cu=14.3중량%(비교예1)이고 Ag＋Cu=82.2중량%(비교예 2)일 때, 그 최대치가 더 높다. 이에 대조적으로 Ag＋Cu가 25∼65중량%(실시예 1∼3)일 때, 그 최대치가 2.0미만이다. (특성이 양호함) 특히, 전류차단 횟수가 매우 클때는 비교예 1(Ag＋Cu=14.중량%)과 같이 소량의 Ag＋Cu를 갖는 접점의 차단특성은 약 2,000회 개폐횟수후에 손상된다.
한편, 고주파 아크제거 특성을 평가한다. 상대치를 검토하기 위해 실시예 2의 특성을 표준 100으로 한다. Ag＋Cu의 양이 25∼65중량%(실시예 1∼3)일때는, 안정된 특성이 얻어진다. Ag＋Cu의 양이 14.3중량%(비교예 1) 및 82.2중량%(비교예 2)일때는 상기에 설명한 상대치가 증가하는 경향이 있다(특성이 훼손됨).
상대치는 200을 초과하는 것으로 관찰된다. 따라서 상기 Ag-Cu-WC-Co합금의 Ag＋Cu 양은 차단특성과 고주파 아크제거 특성의 두 관점에서 볼 때 25∼65중량% 범위에 속하는 것이 바람직하다.
[실시예 4∼8 및 비교예 3∼6]
상기에서 설명한 바와 같이, Ag＋Cu 의 양이 상기의 바람직한 범위, 즉 25∼65중량%내에 속한다 할지라도 상기 Ag-Cu-WC-Co합금의 Ag/(Ag＋Cu)비가 적절치 않다면, 상기 차단특성 및 고주파 아크제거 특성이 손상됨이 밝혀졌다.
즉, Ag/(Ag＋Cu)값이 40∼80중량(실시예 4∼8)인 경우에는 양호한 차단특성(그 상대치는 2.0이하)과 양호한 고주파 아크제거 특성(그 상대치는 200이하)이 얻어졌다.
Ag/(Ag＋Cu)값이 96.8중량% 및 100중량%(비교예 3 및 4)일 때 높은 열전도성이 나타나는 것을 관찰한다. 또한 Ag/(Ag＋Cu)값이 21.2~0중량%(비교예 5∼6)일 때는 차단특성이 증기 공급원인 Ag량의 부족에 주기로 기인하여 감소된다.
실시예 1∼8 및 비교예 1∼6에서, 차단특성 및 고주파 아크제거 특성의 두가지 특성이 Ag＋Cu량 및 Ag/(Ag＋Cu)비율에 대해 동일한 경향을 나타낸다.
[실시예 9 및 비교예 7 및 8]
Ag-Cu-WC-Co합금내의 Ag-Cu부분의 존재상태, 즉 두께 또는 너비가 5㎛ 이하인 고전도성 성분의 불연속상(층상조직 또는 봉상조직)이 매트릭스내에 5㎛ 이하의 간격으로 미세하고 균일하게 분산되어 있는 상태의 영역이 점유하는 소정의 면적%를 갖는 통상적 방법으로 Ag＋Cu를 45중량%, Ag/(Ag＋Cu)를 70중량% 되게 접점을 제조했다.다시 이 접점을 800℃∼1,000℃ 온도에서 1시간 동안 열처리(재가열 보지)하여 다양한 면적비(%)의 접점들을 얻었다.
면적비가 50% 이상인 경우(실시예 9 및 10) 상기 접점들을 저차단 특성을 갖으며, 훌륭한 고주파 아크제거 특성을 발휘한다. 이와 대조적으로, 상기 면적비가 더 작을때(비교예 7 및 8)는 차단특성이 손상되고, 특히 이 최대치가 대폭 상승되며(손상됨), 그 고주파 아크제거 특성이 또한 상승되는(손상되는)것으로 나타났다. 따라서, Ag와 Cu의 존재상태의 상기 면적비가 상기 Ag＋Cu상내에서 50%이상인 것이 바람직하다.
[실시예 11∼13 및 비교예 9]
Ag-Cu-WC 합금의 보조성분으로 Co를 사용하여 합급제조 중 WC의 편석 또는 공극발생을 억제한다. Co가 0일지라도, WC의 편석 또는 공극발생을 주의깊게 제어하여 제조한 Ag-Cu-WC합금은 훌륭한 차단특성과 훌륭한 고주파 아크제거 특성을 갖는다(실시예 13).
공업적으로, 소정치(Co량=1중량%, 실시예 11) 이하인 경우, 그 차단치의 평균 및 최대치가 낮은 범위에 속하게 된다 (실시예 11 및 12). Co량이 0인 경우, 상기 평균 및 최대치는 낮으며, 그 상대치는 2.0이하이다. 그러므로, 그 상대치는 상기 실용범위내에 있게되는 것이다. 그러나, Co량이 0일때의 최대치를 Co량이 1중량% 또는 0.05중량%(실시예 11 및 12)일때의 최대치와 비교하면, 차이가 있으며, 분산성을 나타내는 경향이 있다.
Co량이 3.5중량%의 범위내에 있는 경우, 고주파 아크제거 특성의 상대치는 200 이하이다. 그러므로, Co의 존재는 고주파 아크제거 특성에 관련된 문제를 야기하지 않는다. 그러나, Co량이 3.5중량%일때는 차단특성의 최대치가 높은 값(2.3배)을 나타낸다. 그러므로, Co량이 3.5중량%를 초과해서는 안될것이다. Ag-Cu-WC-Co 합금내의 Co량은 차단특성 및 고주파 아크제거 특성의 관점에서 볼 때 1중량%이하(0중량%도 포함해서)인 것이 바람직하다.
[실시예 14∼16 및 비교예 10]
실시예 1∼12 및 비교예 1∼9 전체에서 사용된 Co의 입경은 1.5㎛였다. Co입경이 0.1∼44㎛(실시예14∼16 및 비교예 10)의 범위내에 있는 경우, 그 차단특성의 상대치는 200이하이며, 이러한 입경으로 인해서 문제점이 야기되지 않는다. Co 입경이 44㎛인 경우(비교예 10), 차단특성의 평균은 양호한 범위에 속하게 된다. 그러나 그 최대치는 손상된다.
상기의 설명으로부터 이해할 수 있듯이, 1중량% 이하(실시예 11∼13)의 Co를 함유하는 Ag-Cu-WC-Co 합금의 Co의 입경은 10㎛이하이다 (실시예 14∼16).
[실시예 17∼19 및 비교예 11]
Ag-Cu-WC-Co 합금이 유리탄소량은 차단특성 개선에 유리하다. 구체적으로, 유리탄소량이 57×102ppm인 경우(비교예 11), 차단치의 평균 및 최대치가 우수하다. 그러나, 내전압치는 표준으로한 실시예 2의 값의 약 1/2이다. 57×102ppm의 유리탄소를 함유하는 합금은 접점재료에 바람직하지 못하며, 본 발명에서 제외된다.
유리탄소량이 10×102ppm∼0.01×102ppm인 경우에는(실시예17∼19), 내전압 특성이 손상되지 않으며, 차단치의 상대치가 낮으며, 고주파 아크제거 특성 또한 안정하다. 따라서, 10×102ppm이하의 유리탄소량이 허용된다.
유리탄소량이 0.01×102ppm인 경우에는(실시예 19), 그 차단치가 유리탄소량이 10×102∼0.3×102ppm인 경우의 것보다 더 크다. 그러나 실시예 2의 값에 대한 상대치는 2.0이하이다.
[실시예 20 및 21과 비교예 12]
Ag-Cu-WC-Co내의 유리탄소량이 바람직한 범위, 예를 들면 1×102ppm인 경우라 할지라도, 그 차단치의 최대치가 C의 입도가 23㎛일때(비교예 12)의 값은 1ppm∼0.1㎛와 비교하면 증가된 값이다. 이 경우, 그 상대치는 실시예 2 값의 2배 이하이며 차단특성상 아무런 문제가 없다.
그러나, 유리탄소의 입도가 23㎛일때는, 그 내전압치가 실시예 2값의 2/3이하이다. 입도가 23㎛인 C를 함유하는 합금은 접점 재료에 바람직하지 못하며, 본 발명에서 제외된다. 한편으로는 상기 입도가 1ppm ∼0.1㎛일때는 극도로 안정된 차단특성 및 고주파 아크제거 특성이 얻어진다.
[실시예 22∼24 및 비교예 13 및 14]
WC이 입도는 Ag-Cu-WC-Co 합금의 차단특성 및 고주파 아크제거 특성과 중요한 관계가 있다. WC의 입도가 3.5㎛(실시예 14)인 경우, 차단특성의 상대치의 평균 및 최대치가 모두 2.0 이하여서 아무런 문제점이 없다. 그러나, 그 고주파 아크제거 특성은 손상되는 것으로 보여진다(상대치가 200이하). WC의 입도가 9㎛인 경우에는(비교예 13), 상기 차단치의 최대치(상대치)는 2.0을 초과하며 분산도가 커진다.
한편, WC의 입도가 1.0㎛ 이하인 경우는 (실시예 22∼24) 상기 차단치의 평균 및 최대치가 현저하게 안정하며 그 고주파 아크제거 특성은 극도로 양호한 상대치를 나타낸다. 따라서, WC의 입도는 1ppm∼0.1㎛의 범위내에 있는 것이 (실시예 22∼24)바람직하다. 상기 입도가 0.1㎛ 이하인 경우에는 공업적 취급이 용이하지 않으며, 소결성이 과도하게 진행되어 소재특성이 불안정하다.
보조성분으로서 Co를 주로하여 설명했지만, Ni-Co 분말(실시예 25) 및 Ni-Fe 분말(실시예 26)을 사용하였을때도 유사한 결과가 얻어졌다.
[표 1a]
Figure kpo00001
[표 1b]
Figure kpo00002
[표 2]
Figure kpo00003
[표 3]
Figure kpo00004
[표 4]
Figure kpo00005
[표 5]
Figure kpo00006
[표 6]
Figure kpo00007
상기에 설명한 실시예들에서 이해할 수 있는 바와 같이, Ag와 Cu(Ag＋Cu)로 구성되는 고전도성 재료의 총량과
Figure kpo00008
의 비를 소정치로 조절하고, 평균 입도가 1㎛이하인 WC를 사용하고 고도로 균일 분산된 Ag와 Cu로 사용하므로써 전류차단 특성을 저수준으로 유지시킬 수 있고 분산도를 감소시킬 수 있으며 동시에 고주파 아크제거 특성을 충분히 낮은 수준으로 유지시킬 수 있다.
상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면 하기의 잇점 및 효과가 성취된다. 즉, 전류 차단특 성의 저수준 유지와 분산도의 저감등이 가능하다. 또한, 동시에 고주파 아크제거 특성을 저수준으로 유지시킬 수 있다. 따라서, 본 발명의 접점재료를 사용할 경우, 훌륭한 전류차단 특성과 차단특성이 양호한 진공밸브를 얻을 수 있으며 전류차단 특성의 안정성이 더욱 큰 진공밸브용 접점재료를 제조할 수 있다.

Claims (7)

  1. Ag와 Cu를 함유하는 고전도성 성분과 WC를 함유하는 내아크성 성분으로 접점 재료를 구성하되 상기 고전도성 성분의 함량은 Ag와 Cu(Ag＋Cu) 총량이 25∼65중량%, Ag와 Cu의 총량에 대한 Ag 백분율 [Ag/(AgCu)]이 40∼80중량%가 되게 하고 ; 상기 내아크성 성분의 함량은 35∼75중량%이며 ; 상기 접점재료의 조직은 고전도성 성분의 매트릭스와 상기 불연속 상으로 되고, 상기 불연속상의 두께 상으로 되고, 상기 불연속상의 두께 또는 너비는 5㎛이하이고, 상기 내아크성 성분의 불연속입자의 입도는 1㎛이하이며 ; 상기 고전도성 성분의 상기 불연속상은 상기 매트릭스내에 5㎛이하의 간격으로 미세하고 균일하게 분산되어 있는 것이 특징인 진공벨브용 접점재료.
  2. 제1항에 있어서, 제1보조성분으로서 Co를 1중량%이하 함유하는 것이 특징인 진공밸브 접점재료.
  3. 제1항에 있어서, 제2보조성분으로서 C를 1ppm∼10×102ppm의 양만큼 함유하는 것이 특징인 진공밸브용 접점재료.
  4. 제1항에 있어서, 두께 또는 너비가 5㎛이하인 고전도성 성분의 불연속상이 상기 매트릭스내에 5㎛이하의 간격으로 미세하고, 균일하게 분산된 상태를 나타내는 부분에 있어서, 상기 불연속상은 각각 (i) Ag를 용해시킨 Cu 고용체 및 Cu를 용해 시킨 Ag 고용체이거나 또는 (ii) Cu를 용해시킨 Ag 고용체 및 Ag를 용해시킨 Cu 고용체인 것이 특징인 진공밸브용 접점재료.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1보조성분 Co의 평균입도가 10㎛이하이고, Co의 일부분 또는 전체가 Ni 및/또는 Fe로 치환된 것이 특징인 진공밸브용 접점재료.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제2보조성분 C의 평균입도가 1㎛이하이고, C는 상기 고전도성 성분의 상기 불연속상과 상기 내아크성 성분의 상기 불연속 입자간의 계면에 유리탄소로서 고도로 분산된 것이 특징인 진공밸브용 접점재료.
  7. 제1항에 있어서, 상기 접점재료의 조직내에는 두께 또는 너비가 5㎛이하인 고전도성 성분의 상기 불연속상이 상기 매트릭스내에 5㎛이하의 간격으로 미세하고 균일하게 분산된 존재상태가 상기 고전도성 성분 총량중의 50면적%이상 점유하는 것이 특징인 진공밸브용 접점재료.
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