KR930001134B1

KR930001134B1 - 진공 밸브용 접점재료 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR930001134B1
Application number: KR1019900002684A
Authority: KR
Inventors: 쓰또무 오꾸또미; 미끼오 오까와; 아쓰시 야마모또; 쓰네요 세끼; 요시나리 사또; 미쓰다까 혼마; 세이시 시바; 다다아끼 세끼구찌
Original assignee: 가부시끼가이샤 도시바; 아오이 죠이찌
Priority date: 1989-03-01
Filing date: 1990-02-28
Publication date: 1993-02-18
Also published as: US5045281A; JP2768721B2; CN1019430B; KR910015712A; JPH02228438A; DE69020383D1; DE69020383T2; EP0385380A3; CN1045312A; EP0385380A2; EP0385380B1

Abstract

내용 없음.

Description

진공 밸브용 접점재료 및 그 제조방법

제1도는 본 발명에 의한 진공밸브용 접점재료가 적용되는 진공밸브의 단면도.

제2도는 제1도의 진공밸브의 전극부분의 확대단면도.

본 발명은 진공밸브, 진공회로차단기 또는 진공회로 인터럽터(interrupter)용 점접재료에서 사용되는 소결합금에 관한 것이며 구체적으로는 향상된 전류재단(curre nt chopping) 특성 및 접촉저항 특성(contact resistance characteristic)을 갖는 진공밸브용 접점재료 및 제조방법에 관한 것이다.

진공중에서의 아크(arc)확산성을 이용하여 고진공중 전류차단을 행하는 진공밸브용 접점은 두개의 대향접점, 즉 고정 및 가동 접점으로 구성된다. 전동기부하와 같은 유도성 회로의 전류를 진공밸브에 의해 차단할 때, 과도한 이상 서어지(surge)전압이 발생하여 부하기기가 파괴될 위험성이 있다. 이와같은 이상서어지 전압발생원인은 소전류가 진공중에서 차단될때 발생하는 재단현상(교류전류파형이 자연히 영(0)점에 달하기 전에 강제적으로 전류차단이 행해진다) 또는 고주파 소호현상등에 의한 것이다.

상기 재단형상에 의한 이상 서어지 전압의 값(Vs)은 부하회로의 서어지 임피던스(Zo)와 전류 재단값(Ic)의 적산치로 나타낸다. 즉, Vs=Zo·IC 이다. 따라서, 이상 서어지 전압(Vs)을 감소시키려면 전류재단값(Ic)를 감소시켜야 한다.

상기의 요구를 충족시키기 위해서 텅스텐 카바이드(WC)-온(Ag) 합금으로 구성된 접점을 사용하는 진공개폐기가 개발된 바 있고(일본 특원소 42-68447과 미국특허 제3,683,138호), 이러한 진공개폐기들은 이미 실용화 되었다.

상기 Ag-WC계 합금의 접점은 하기와 같은 특징들을 갖는다 :

(1) WC는 전자방사를 용이하게 한다.

(2) 전계방사전자들의 충돌에 의한 전극면의 가열에 의해 접점재료의 증발이 촉진된다.

(3) 접점재료의 탄화물이 아크에 의하여 분해하여 하전체(charge particle)를 생성함으로써 아크를 지속시킨다.

저재단 전류특성을 발휘하는 다른 접점재료로는 비스무트(Bi)-동(Cu) 합금이 있다. 이 재료는 진공밸브제조에 실용화되어 있다(일본특공소 35-14974,미국특허 제 2,975,256호, 일본특공소 41-121131 및 미국특허 제3,246,979호). 이 합금들 중에서 10중량%의 비스무트를 함유하는 것(일본특공소 35-14974)은 적절한 특성을 갖으므로 저재단 전류특성을 나타낸다. 0.5중량%의 비스무트를 함유하는 것(일본특공소 41-12131)은 결정입자계에서 Bi가 편석(便析)되어 합금자체가 취약화하여 저용착 개리력(low welding opening force)이 실현되어 우수한 대전류 재단성을 갖는다.

저재단 전류특성을 갖는 또 다른 접점재료로는 Ag 대 Cu의 중량비가 대략 7 : 3인 Ag-Cu-WC 합금(일본특원소 57-39851)이 있다. 이 합금에서는 종래에 없었던 한정을 한 Ag와 Cu의 비율을 선택하므로 안정된 재단전류 특성이 얻어진다고 기재되어 있다.

또한, 일본특원소 60-216648호에는 입경이 0.2-1㎛(예,WC의 입경)인 내호성 재료가 저재단 전류특성을 개선하는데 효과적임이 시사되어 있다.

진공차단기에는 저 서어지특성이 요구되므로, 종래에는 상술한 바와같은 저재단 전류특성(저재단 특성)이 요구되고 있었다.

진공밸브는 최근 전동기, 변압기 또는 리액터등과 같은 유도성 회로에의 적용이 증가되고 있다. 따라서, 진공차단기는 보다 더 안정된 자재단 전류특성과 만족할 만한 저접촉 저항특성을 겸비하는 것이어야 한다.

왜냐하면 개선된 대용량 진공차단기에 따른 대전류 통전에 의한 진공차단기의 이상온도 상승은 장치의 성능에 바람직하지 못한것으로 판명되었기 때문이다.

현재까지는 상기 두 특성을 모두 만족하는 접점재료가 개발된 바 없다.

즉, 예를들면, WC-Ag 합금으로 된 접점에서 WC의 양을 조절하여 전류재단값을 감소시킬 수 있으나, 이경우 Ag의 양도 변한다. 그러므로 이들의 접촉저항특성도 변화된다. 따라서 Ag의 양이 동일한 경우에도 낮은 안정된 저접촉 저항특성을 얻고자하는 노력이 필요하다.

WC-Ag 합금류로 구성된 접점(일본특원소 42-68447 및 미국특허 제3,683, 138호)에서는 그의 재단 전류치가 불충분할 뿐 아니라 접점저항 특성개선에 대해서도 하등 배려되지 않았다.

10중량% Bi-Cu 합금(일본특공소 35-14974호와 미국특허 제2,975,256)에서는 전극간 공간에 공급되는 금속 증기공급량이 개폐횟수가 증가됨에 따라 감소되고, 저재단 전류 특성의 열화가 나타나고 고증기압을 갖는 원소의 양에 따라 내전압특성의 열화도 발생된다. 또한, 접촉저항 특성이 완벽히 만족스럽지 않다.

0.5중량% Bi-Cu합금(일본특공소 41-12131와 미국특허 제3,246,979호)은 그의 저재단 전류특성이 불충분하다.

Ag 대 Cu의 중량비가 대략 7 : 3인 Ag-Cu-WC 합금(일본특원소 57-39851 )와 내호성 재료의 입경이 0.2∼1㎛인 합금(일본특원소 60-216648)도 그들의 접촉저항 특성이 충분하게 만족스럽지는 않다.

본 발명의 하나의 목적은 우수한 저재단 전류특성과 접촉저항 특성을 겸비하며 가혹한 조건하에서의 진공차단기의 요구에 맞는 접점재료를 제공하는데 있다.

본 발명자는 상기 Ag-Cu-WC로 된 접점재료에 있어서 Ag와 Cu의 함량, 이들의 비율 및 존재상태를 최적화하고 내호성(arc-proof)성분 (WC)의 입경을 더욱 미세화하고, Ag와 Cu의 존재상태를 개선시키면, 본 발명의 상기 목적을 효파적으로 성취할 수 있음을 알아내어 본 발명을 완성했다.

본 발명에 의한 진공밸브용 접점재료는 Ag와 Cu로 된 고도전성 성분과, W,WC 등(편의상 내호성성분을 WC로 나타낸 경우도 있음)으로된 내호성성분을 포함하는 Ag-Cu-WC계 진공밸브용 점접재료이고, (1) 상기 고도전성 성분의 함량은 Ag와 Cu의 총량(Ag+cu)이 25∼65중량% 이며 ; (2) 상기 내호성 성분의 함량이 35∼75 중량 % 이고, 이 내호성 성분은 W,Mo,Cr,Ti,Zr 또는 이들의 탄화물과 붕화물 및 이들의 혼합물로 된 군에서 선택된 것이며 ; (3) 접점재료의 상기 고도전성 성분은 제1고도전성성분 영역과 제2고도전성성분 영역으로 구성되고, 상기 전자는 두께 또는 폭이 5㎛ 이하인 제1불연속상과, 이 제1불연속상을 들러싸는 제1매트릭스로 구성되어 있고, 상기 후자는 두께 또는 폭이 5㎛ 이상인 제2불연속상과, 이 제2불연속상을 둘러싸는 제2매트릭스로 구성돼 있고 ; (4) 상기 제1고도전성 성분영역중의 제1불연속상은 상기 제1매트릭스중에 5㎛이하의 간격으로 미세하고 균일하게 분산돼있으며 고도전성 성분 합계중량에 대한 상기 제2도전성 성분영역의 비율, B/(A+B)는 10∼60중량%의 범위내이다. 여기서 A는 제1고도전성 성분영역의 양이고, B는 제2도전성 성분 영역의 양이다.

본 발명의 양호한 실시예에서, 상기 내호성성분은 5㎛(0.1㎛ 이상)이하의 평균입경을 갖으며 이 내호성성분의 대부분이 상기 제1고전도성성분에 둘러싸인 상태로 존재할 수 있다.

본 발명의 다른 양호한 실시예에 있어서 고도전성 성분인 Ag와 Cu의 합계량에 대한 Ag의 비율[Ag/(Ag+Cu)]은 40∼80중량%의 범위내이다.

본 발명의 또다른 바람직한 실시예에서는, 상기 제1 및/또는 제2고도전성 성분영역을 이루는 상기 불연속상 또는 매트릭스는 (i)Ag가 용해된 Cu 고용체와 Cu가 용해된 Ag 고용체이거나 또는 (ⅱ) Cu가 용해된 Ag 고용체 및 Ag가 용해된 Cu 고용체일 수 있다.

본 발명에 의한 접점재료는 내호성 재료 분말을 분말성형체로 가압성형하고 이 성형체를 소결하여 내호성재료골격을 얻고, 그 골격의 공극에 고도전성 재료를 용침한후 용침물을 냉각시켜 얻는다.

하기의 설명에서, 내호성 재료의 대표적인 예로서 WC를 들어 설명하겠다.

Ag-Cu-WC 접점재료의 전류재단 특성과 접촉저항 특성을 동시에 향상시키기 위해서는 합금중의 Ag+Cu의 양, Cu에 대한 Ag의 비율, Ag와 Cu의 존재 형태, 및 WC의 입경등을 바람직한 범위로 제어함이 중요하다.

특히, 전류재단치 자체를 보다 낮은 값으로 유지시키는 것 이외에도 또 그의 분산폭을 감소시킴과 접촉저항 특성을 특정범위내로 억제함과 동시에 개폐의 경과에 수반되어 변화됨을 피해야(즉, 저항상승을 피해야)함이 극히 중요하다.

상기에 설명한 전류재단형상은 접점간 증기량(재료의 물성으로서 증기압 및 열전도)과 접점재료에서 방사된 전자와 상관관계가 있으며 본 발명자들의 실험에 의하면, 전자가 후자보다 더 큰 비중을 가짐이 밝혀졌다. 따라서, 본 발명자들은 증기공급을 쉽게 하거나 공급이 용이한 재료로 접점을 만들면 전류재단현상을 완화시킬 수 있음을 밝혀냈다.

상기에서 설명한 Cu-Bi 합금은 저재단치를 갖는다. 그러나 치명적인 결점으로서 이러한 Cu-Bi 합금은 Bi의 융점이 낮아서(271℃), 통상 진공밸브에서 행해지는 600℃ 근방의 온도에서 베이킹(baking)시 또는 800℃에서 은납땜질(Silver brazing)서 Bi가 용융됨으로써 이 용융된 Bi가 이동, 응집되어 전류재단 특성을 유지시켜야 할 Bi의 존재상태가 불균일해진다. 그러므로써, 전류재단치와 접촉저항치의 분산 폭이 증대되는 현상이 관찰된다.

한편 Ag-WC로 표시되는 Ag-내호성 재료계 합금의 경우는 하기와 같은 결합이 나타난다. 재단전류는 내호성 재료(이경우, WC)의 비등점에서의 Ag 증기량에 영향받고 한편, Ag의 증기압은 상기에 설명한 Cu-Bi계의 Bi의 것보다 현저하게 낮아서, 음극점이 고착되는 접점의 성분(Ag 또는 내호성재료)에 따라 온도부족, 즉 증기압 부족을 초래한다.

결과적으로, 전류재단치의 분산폭이 뚜렷해진다는 것이 확인되었다. Ag와 내호성 재료의 조합으로된 합금을 사용하여 전류재단 종기에서 접점면의 급격한 온도저하를 저지시키고 아크(arc)를 유지하는 것은 어려운 일로 생각되며, 고성능화를 위해서는 보조기술이 필요하다는 결론에 도달했다. 그 개량의 하나인 일본특원소 57-39851에서는 고도전성 성분으로 Ag-Cu 합금을 사용함으로써 결정입자들을 미세하게 분산시키는 기술을 개시하고 있다. 이 기술에 의하면, 그 생성물의 특성들이 비약적으로 안정화된다. 아크가 주로 고착되는 위치는 내호성 성분 또는 Ag-Cu 합금이다 어느 경우이든, Ag-Cu 증기의 공급에 의한 전류 재단현상이 완화된다(개선된다). 그러나, 상기 아크가 상기 내호성성분에 고착될때는 약간의 분산이 발생될 수 있다.

한편 내호성 성분을 미세화하므로써 상기 분산폭을 개선할 수 있고, 따라서 이것은 내호성 성분의 입경이 전류차단현상에 중요한 역할을 한다는 것과 그 입경은 편석이 관찰되는(내호성 성분의 입경이 그 초기입경의 10∼20배 크다)접점재료의 경우에 현저한 분산이 나타난다는 관찰결과를 고려하여 특정 범위내에서 사용해야 한다는 것을 시사한다.

일본특원소 57-39851에 기술된 바와같이, Ag 및 Cu의 양과 WC입경을 특정치로 제어하여 그 재단 전류 특성을 개선할 수는 있었지만, 상기에 한 기술은 보다 낮은 재단 전류특성을 제공못할 뿐만 아니라 접촉저항 특성도 확보하지 못했다.

상기 설명한 바와같이, 본 발명의 접점재료에서는 미세한 WC 분말의 사용과 바람직한 Ag 및 Cu 존재상태를 채용함으로써 접점조직의 미세화와 균질화가 성취된다. 따라서, 안정된 전류재단 특성과 우수한 접촉저항 특성이 얻어진다. 다수회의 개폐회수의 경과후에도 개폐시의 아크 열에 의해 증발되는 Ag의 Cu에 의해 안정된 전류재단특성이 얻어지나 접촉조저항 특성의 변화폭이 커질 수 있고, 비정상적으로 높은 접촉저항이 발생될 수 있다. 본 발명자들의 관찰에 의하면, 상기와 같은 현상이 발생되는 원인은 하기와 같다. 아크에 의해 과열된 WC의 주변부의 Ag 및 Cu성분의 선택적 증발에 의해 Ag 및 Cu량이 부족되고 실질적으로 WC만으로 조성된 집합체가 형성된다.

이러한 집합체가 서로 접촉되면, 접촉저항이 증가된다. 전류재단 특성이 손상되지 않는 이유로 상기 특수한 상태의 Ag와 Cu의 상승효과때문이다. 이것은, 실질적으로 WC만으로 조성된 집합체의 표면상에 극히 얇은 Ag/Cu 막의 존재가 분석에 의해 관찰되는 사실로써 지지된다. 그러나, 이러한 극히 얇은 Ag/Cu 막은 접촉저항의 유지에 대해서는 거의 효과를 발휘하지 못한다. 아크에 의해 Ag와 Cu를 공급함으로써 전류 재단특성은 보장되나, 접촉 저항특성의 유지는 곤란하다.

상기의 결점들을 극복하기 위해서 본 발명에서는 Ag와 Cu를 공존시킨다 ; 즉, Ag와 Cu를 5㎛ 이하의 입경으로 미세하고 균일하게 분산시키고 ; 특히 입경이 5㎛ 이상인 Ag와 Cu 풀(Pool)을 특정비율로 함유시킨다. 따라서, 다수회의 개폐 후에도 접촉저항특성이 안정되었다. 또한, 전류재단 특성이 양호한 레벨로 유지됨과 동시에 우수한 접촉저항 특성을 얻을 수 있다.

두께 또는 폭이 5㎛ 이하인 제1불연속상과 이 제1불연속상을 둘러싸는 제1매트릭스로 구성된 제1고도전성 성분에 의해 전류차단치가 저레벨로 안정된다. 두께 또는 폭이 5㎛이상인 제2불연속상과 제2불연속상을 둘러싸는 제2매트릭스로 구성된 제2고도전송 성분은, 다수회의 개폐후에 접촉저항을 상승시키는 Ag와 Cu를 증발시켜 결핍영역에 공급하는 역할을 한다. 따라서 Ag와 Cu가 접촉면의 전면에 적량 존재함으로써, 안정된 전류재단특성과 우수한 접촉저항 특성을 얻을 수 있다.

전류재단특성을 안정시키기 위해서, 입경이 3㎛이하인 WC 분말을 사용하며 고도전성 성분 Ag와 Cu를 미세하고 균일하게 분산시킨다. 따라서, 아크에 의해 Ag와 Cu가 증발되는 세공영역에서는 Ag와 Cu가 유실되어 그 결핍이 발생된다. 전류재단 현상이 발생되는 소전류 개폐시의 아크인 경우, 내하부영역에서 Ag와 Cu를 용융시켜 그것을 상기 세공영역에 메꾸는데 필요한 에너지는 없고, Ag와 Cu가 공급되여 박막을 형성할 뿐이다. 상기 공급량이 전류재단현상을 완화시키는데 효과적인 Ag 및 Cu량이지만 접촉저항치에 대하여 Ag와 Cu의 미소한 결핍이 생긴다. 따라서 다수회의 개폐후에도 접촉저항특성으로 안정하게 유지하기 위해서는 Ag와 Cu의 공급원을 접촉면에 설비할 필요가 있다.

본 발명자들의 실험에 의하면, 입경이 5㎛이상인 Ag와 Cu의 풀(제2고도전성 성분영역)이 존재하는 경우 바람직한 효과가 성취됨이 밝혀졌다. 그러나, 본 발명자들의 실험에 의하면 입경이 100㎛이상인 Ag와 Cu의 풀은 Ag/cu 풀들의 접촉확률을 증가시키며 어떤 경우에는 이들을 용융시키는 경향이 있음을 밝혀냈다. 입경이 너무큰 Ag와 Cu는 바람직하지 못하다. 입경이 5㎛ 이상인 Ag와 Cu의 풀내에 WC이 존재하면 Ag와 Cu가 공급될때 불연속상의 WC가 전극표면에 적층되어 Ag/cu의 원활한 공급을 방해하기 때문에 그리고 WC의 존재는 내전압을 감소시키기 때문에 바람직하지 못하다.

본 발명에서는 전류재단 특성과 접촉저항 특성을 개선하기 위하여 첫째, 고도전성 재료인 Ag와 Cu를 공존시킨다. 이에는 (1) Cu를 용해시킨 Ag 고용체와 (2) Ag을 용해시킨 Cu고용체로 된 매트릭스 및 불연속상(중상 조직 또는 봉상 조직)을 형성시킨다. 상기 불연속상의 두께 또는 너비는 5㎛이하이며, 상기 매트릭스내에 5㎛이하의 간격으로 미세하고 균일하게 분산시키므로써 아크스폿(spot)의 직경과 동일하거나 또 바람직하게는 더 작게끔 고도전성 성분을 설계한다. 그 결과로, 아크의 유지 및 지속을 주기능으로 하는 Ag 및 Cu성분(이하 아크유지재라 한다)의 융점을 강하시키는 동시에 증기압을 상승시킨다.

둘째, 그 평균입경이 1㎛이하, 바람직하게는 0.8㎛이하, 더욱 바람직하게는 0.6㎛이하인 WC 입자를 택한다. 이 요건은 상기 아크 유지재의 분산을 더욱 더 고도로 미세하게 분산된 상태로 전환되는 것을 돕는다.

상기 고도전송 성분(Ag 와 Cu)의 함량과 그 함량 비만이 특정 범위내로 특정되는 경우라도, 후술하는 실시예들과 비교예들에서 알 수 있는 바와같이, 바람직한 저재단 특성과 바람직한 접촉저항 특성을 동시에 얻을 수는 없다.

본 발명에 의하면, 상기 고도전성 성분(Ag와 Cu)의 조직은 WC입자의 평균입경의 소정치와 고도전성 성분의 소정치를 조합사용하므로써 고도로 미세화하고 안정화시킬 수 있다.

또한, WC입자와 고도전성 성분들이 각각의 기능을 수행하여, 목적이 성취된다. 따라서 Ag와 Cu의 함량, 이들의 함량비 및 그 존재 상태를 특정하고, 내호성 성분 WC의 입경을 더욱 미세화하므로써 저재단 특성과 접촉저항 특성을 동시에 개선할 수 있다.

본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 설명하겠다.

제1도는 진공밸브의 단면도이며, 제2도는 진공밸브의 전극부의 확대단면도이다.

제1도에서, 참고번호 1은 차단실을 나타낸다. 차단실(1)은 절연재료로 된 실질적으로 관형인 절연용기(2)와 그의 양단부에서 봉지금구(sealing metal fitting)(3a,3 b)를 거쳐서 배치된 금속캡(4a,4b)등에 의해서 진공 기밀상태로 되어 있다.

도전봉(5,6)의 각 대향단부에 부착된 전극쌍(7,8)이 상기 차단실(1)내부에 배치된다. 상부전극(7)을 고정전극으로 하부전극(8)을 가동전극으로 하였다. 상기 가동전극(8)의 도전봉(6)에 벨로우즈(9)가 장치되므로써 차단실(1)이 진공 기밀상태로 유지하면서 전극(8)의 축방향이동을 가능하게 한다.

이 벨로우즈(9)가 아크와 금속증기로 덮히는 것을 방지하기 위하여 이 벨로우즈 (9)의 상부에 금속성 아크차폐부(10)가 설비된다. 참고번호(11)는 차단실(1) 내부에 장치되어 상기 전극쌍(7,8)을 덮는 금속성 아크차폐부를 나타내며 이것은 절연용기(2)와 아크와 금속 증기로 덮히는 것을 방지한다. 확대도를 나타난 제2도에서 보듯이, 전극(8)은 경납땜부(12)에 의해 상기 도전봉(6)에 고착되거나 또는 코오킹(caulking)에 의해 압착 접속된다. 접점(13a)가 (14)의 경납땜부로 전극(8)에 부착된다. 접점(1 3b)는 경납땜으로 전극(7)에 고착된다.

접점재료 제조방법의 일실시예를 하기에 설명하겠다. 제조에 앞서, 필요 입경별로 내호성성분과 보조성분들을 분류한다. 예를들면, 체분법과 침강법을 병용하여 소정입경의 분말을 용이하게 얻는다. 우선, 소정 입경의 WC의 소정량, 소정입경의 Ag의 소정량의 일부를 준비하여 혼합한 후, 가압성형하여 분말성형체를 얻는다.

이후, 상기 분말 성형체를 노점이 -50℃이하인 수소분위기하에서 또는 소정 온도, 예를들면 1,150℃의 온도와 1.3×10^-1Pa이하의 진공중에서 소결(1시간 동안)하여 소결체를 얻는다.

이후, 소결체의 잔존 공극 내부로 소정 함량비의 Ag-Cu 소정량을 1,150℃에서 1시간 동안 용침시켜 Ag-Cu-WC합금을 얻는다. 이 용침과정은 주로 진공중에서 행하나 수소중에서 행할 수도 있다.

상기 고도전성 성분의 제1 및 제2영역의 생성과 양의 제어를 하기와 같이 행한다. 입경이 3㎛이하인 상기에서 준비된 WC분말을 소정비율로 구분한다. 입경이 3㎛인 WC분말을 그대로 사용하나 소결 공정중에 증발, 제거될 수 있는 재료, 예를들면 파라핀을 상기 입경 3㎛이하의 WC분말에 배합하여 혼합물로 형성시킨다. 두 재료(입경이 3㎛이하인 WC분말과 여기에 파라핀이 혼합된 WC분말)을 소정 비율로 혼합하고 그 혼합물을 압축한다. 성형공정중에 파라핀에 의해 점유되는 영역에서는 WC골격이 형성될때의 소결공정중 가열에 의해 파라핀이 증발 및 제거되어 공극이 생긴다. 이어지는 용침공정에서 용침물(Ag와 Cu)을 용침시켜 입경이 3㎛이하인 WC입자들간에 용침된 Ag와 Cu보다 크기가 큰 풀을 얻는다. 이 공정중에서 제2고도전성 성분량에 대한 제1고도전성 성분량의 비율은 파라핀/WC분말 혼합물에 대한 WC분말만의 중량비를 제어하여 조정할 수 있다. WC분말사이에 용침된 Ag와 Cu는 제1고도전성 성분영역을 형성하는 한편, 파라핀의 제거에 의해 생긴 공극내로 용침된 Ag와 Cu는 제2고도전성 성분영역을 형성한다.

합금내의 상기 전도성 성분비(Ag/(Ag+Cu))는 하기와 같이 제어한다. 예를들어 소정 비율의 Ag/(Ag+Cu)를 갖는 인고트(ingot)를 1,200℃이하, 1.3×10^-2Pa의 진공중에서 진공 용융한후, 그 생성물을 절단하여 용침용 소재로 사용하였다. 상기 도전성 성분비(Ag/(Ag+Cu))를 제어하는 다른 방법은 Ag 또는 Ag+Cu의 소정량의 일부를 WC중에 먼저 혼합한후, 잔존 Ag 또는 Ag+Cu를 용침시켜 소결체를 제조함으로써 행할 수 있다. 그러므로써, 바람직한 조성을 갖는 접점형성용 합금을 얻을 수 있다.

본 발명의 실시예들에서 얻어지는 데이타 측정방법과 그 측정조건을 하기에 설명한다.

(1) 전류재단 특성

각 접점을 취부하고 10^-3Pa 이하까지 배기시켜 조립식 진공밸브를 제조했다. 이 진공밸브의 접점을 0.8m/sec의 개극속도(openingrate)로 개극하고 소유도전류 재단시의 재단전류(레벨)을 측정하였다. 재단전류는 20암페어(실효값)이었고 주파수는 50H z였다. 개극위상(openingphase)은 랜덤하게 행해졌고 전류재단이 각각의 3개의 접점에 대해 500회 행해질때의 재단전류를 측정하였다. 상기 측정치들의 평균과 최대값을 표 1-3에 나타냈다. 표의 수치는 실시예 2의 재단전류치의 평균치를 1.0으로 한 상대적인 값이다.

(2) 접촉저항

접촉저항 특성을 하기와 같이 측정하였다. 표면조도가 5㎛인 직경 50mm의 평탄전극과, 곡률반경이 100R이고, 표면조도가 상기 평탄전극과 동일한 凸상전극을 대향시켰다. 이 두 전극을 절환조작기구를 구비한 탈착 가능한 진공용기에 장착하고 10^-3Pa이하의 진공도로 배기시켰다. 여기에 1.0kg의 하중과 100암페어의 통전전류를 가했다. 상기 두 전극에 10암페어의 교류전류를 가했을때의 전압강하로 부터 접촉저항을 측정하였다. 이 접촉저항치는 회로상수로서 측정회로를 생성한 스위치와, 배선재료의 저항 또는 접촉저항을 내포하는 값이다.

상기 접촉저항치는 착탈식 진공 스위치기어 자체의 축선부위의 저항, 1.8∼2.5μΩ과, 자계발생을 위한 코일부위의 저항 5.2∼6.0μΩ 그 나머지가 접점부분의 저항값(접점형성용 합금의 저항 및 접촉저항치)를 포함한 값이다.

표 1∼3에 나타난 접촉저항치들은 스위치 절환시험을 10,000회 실시해서 (i) 1회∼100회간, (ⅱ) 9,900∼10,000회간에 얻어진 분산폭으로 나타낸 것이다.

(3) 시료용 접점

시료용 접점의 원료와 각각의 특성 데이타를 표 1∼3에 나타내었다. 표에 나타난 것과 같이, Ag-Cu-WC합금내의 Ag+Cu양은 16.2중량%∼88.3중량% 범위내에서 변화되었으며, Ag+Cu 대 Ag의 비율(Ag/Ag+Cu)도 0∼100중량%의 범위내에서 변화시켰고 여러 접점을 현미경 평가한 결과 선택한 고도전성 성분총량에 대한 제2고도전성 성분의 양은 5%, 10∼30%, 30∼40%, 40∼60% 또는 60-90%였다. 이들 접점들은 골격의 소결공정중 분산되는 물질의 혼합량 ; 소결온도 : 전술한 성형압력등의 인자들을 제어하여 얻어진다.

또한, 사용된 내호성 성분의 입경 및 종류를 바꾸면서 접점의 특성을 평가하였다. 상기 시험의 조건과 해당 결과를 표 1∼3에 나타냈다.

[실시예 1∼3 및 비교예 1∼2]

평균입경이 0.76㎛인 WC분말과 평균입경이 각각 5㎛인 Ag와 Cu분말을 제조한 다음, 이들을 소정비율로 혼합한후, 0∼8t/㎠의 범위내에서 적정 성형압력을 택하여 성형하여 소결후의 잔존공극량을 조정했다. 상기 합금내의 Ag+Cu의 양이 큰경우(실시예 3 : Ag+Cu=65중량%), (비교예 2 : Ag+Cu=88.3중량%)에는, 성형압력이 특별히 감소된 방법이나 또는 Ag+Cu의 일부를 WC와 먼저 혼합하여 얻은 혼합물을 성형하는 방법을 사용했다.

상기 제2고도전성 성분의 양을 조정하기 위해서 WC분말의 성형시에 파라핀등의 재료를 WC분말의 일부, 즉 전체 WC분말의 40%의 표면에 증착시키고, 그 처리된 것을 파라핀을 증착시키지 않은 잔존 WC분말과 혼합했다. 그 얻어진 혼합물을 성형하고 소결했다. 실시예 1 및 비교예 1에서는 상기 혼합물을 예를들면 1,100℃∼1,300℃의 온도에서 소결하여 WC 소결체를 얻었다. 실시예 2 및 3 및 비교예 2에서는 상기 혼합물을 1,100℃미만의 온도에서 소결하여 소결체를 얻었다. 따라서, 공극량을 조정하고 Ag+Cu량을 조절하고 공극크기를 조정하여 제1 및 제2도전성 성분 영역의 양을 조절하였다. 1,000∼1,100℃의 온도에서 Ag와 Cu을, 공극레벨이 상이한 상기 WC골격의 공극내로 용침하여(필요에 따라, Cu를 먼저 별도로 용침시키고 그후에 Ag만을 용침시킨다).

결국에는 Ag-Cu-WC-합금중의 Ag+Cu양이 16.2∼88.3중량%(비교예 1,2와 실시예1∼3)인 합금을 얻었다. 이 접점소재를 소정의 형태로 가공하고 상기에 설명된 조건하에서, 상기 설명된 방법으로 재단특성 및 접촉저항 특성을 평가한다.

상기에서 설명된 바와같이 전류차단을 500회 행했을때의 특성과 비교하여 재단특성을 평가했다. 표 1 및 2에 나타난 비교예 1∼2 및 실시예 1∼3로 부터 알 수 있는 바와같이, 실시예 2의 평균재단치(Ag+Cu=44.4중량%, Ag/(Ag+Cu)=71.3%)를 1. 0으로 나타냈을때에, 상기 합금내 상기량의 Ag+Cu을 사용하여 얻은 평균재단치는 2이하이다(특성의 열화를 나타내는 평균재단치의 증가). Ag+Cu=16.2중량%(비교예 1)이고 Ag+Cu=88.3중량%(비교예 2)일때, 그 최대치가 더 높다. 이에 대조적으로 Ag+ Cu가 25∼65중량%(실시예 1∼3)일때, 그 최대치가 2.0미만이다(특성이 양호함). 특히, 전류차단 횟수가 매우 클때는 비교예 1(Ag+Cu=16.2중량%)과 같이 소량의 Ag+ Cu를 갖는 접점의 재단특성은 약 2,000회 개폐횟수후에 열화된다.

한편, 접촉저항 특성을 평가했다. 상대치를 검토하기 위해 실시예 2의 특성을 표준 100으로 했다. Ag+Cu의 양이 25∼65중량%(실시예 1∼3)일때는 안정된 특성이 얻어졌다. Ag+Cu의 양이 16.2중량%(비교예 1) 및 88.3중량%(비교예 2)일때는, 상기에 설명한 상대치가 증가하는 경향이 있었고(특성이 열화됨). 접촉저항 특성은 열화된 것으로 관찰됐다.

특히 비교예 1에서는 다화수의 개폐후에는 (9,900∼10,000의 개폐 후에), 고도전성 성분의 총량의 결핍에 기인하여 접촉저항이 증가하는 경향이 있었다. 시험을 더 진행한 경우, 용착발생이 나타났다. 따라서, 재단특성과 접촉저항의 특성의 관점에서, Ag-Cu-WC합금중의 Ag+Cu량은 25-65중량%의 범위내인 것이 바람직하다.

[실시예 4∼6 및 비교예 3∼6]

상기에서 설명한 바와같이, Ag+Cu의 양이 상기의 바람직한 범위, 즉 25∼65중량%내에 속한다 할지라도 상기 Ag-Cu-WC합금의 Ag/(Ag+Cu)비가 적절치 않다면, 상기 재단특성 및 접촉저항 특성이 열화됨이 밝혀졌다. 즉, Ag/(Ag+Cu)값이 40∼80중량%(실시예 4∼6)인 경우에는, 양호한 재단특성(그 상대치는 2.0이하)과 양호한 접촉저항 특성(다수의 스위치 절환후에도 그 값은 125μΩ이하)이 얻어졌다.

Ag/(Ag+Cu)값이 90.1중량% 및 100중량%(비교예 3 및 4)일때 재단특성의 열화가 나타나는 것으로 관찰된다. 또한, Ag/(Ag+Cu)값이 22.2∼0중량%(비교예 5-6)일때는 증기 공급원인 Ag량의 부족에 기인하여 재단특성이 감소되고 또한 접촉저항은 증가된다.

[실시예 7 및 8 및 비교예 7 및 8]

Ag-Cu-WC합금중의 고도전성 성분에 대한 제2고도전성 성분영역의 양이 5%, 10∼30%, 40∼60% 또는 60∼90%인 접점들(비교예 7, 실시예 7 및 8, 비교예 8)을 사용하였으며, 여기서 제2고도전성 성분영역의 양은 WC골격을 그 골격의 Ag+ Cu양과 Ag/(Ag+Cu)값이 각각 약 45-48중량%, 그리고 약 71∼73중량%로 조절된 특정 공극크기를 갖도록 처리하는데 사용되는 재가압공정의 압력과 용침온도등의 조건을 조정함으로써 얻었다. 여기서 상기 골격의 Ag+Cu양과 Ag/(Ag+Cu)값의 조절은 WC에 증착시키는 파라핀양과 전술한 소결온도를 조정함으로써 행하였다.

표 2에 나타난 바와같이, 상기 제2고도전성 성분의 양이 10∼30% 또는 40∼6 0%(실시예 7과 8)일때, 안정된 재단특성이 얻어졌으며 초기 개폐기간(1∼100회 개폐처리)과 다수회 개폐(9,900∼10,000개폐후)의 두 경우 모두에서 접촉저항특성에 큰 변화가 없었고, 안정되고 양호한 값이 얻어졌다. 이와 대조적으로 고도전성 성분영역의 양이 더적은 비교예 7에서는 재단특성이 극히 양호했다. 그러나, 다수회 개폐후(9,900∼10,000 개폐후)의 접촉 저항은 현저하게 컸으며, 안정성이 결핍되는 경향을 나타냈다. 이러한 상태의 접촉표면을 관찰하면 도전성 성분(Ag, Cu 또는 Ag)이 결핍된 부분이 관찰되었다. 제2고도전성 성분영역의 양이 큰 경우(비교예 8)는 초기 개폐기간중의 접촉저항이 작았다. 그러나, 다중 개폐후에는 작은 값과 바람직한 값과 높은 값을 보였다. 따라서, 일부 표면(제2고도전성 성분) 및 증발에 기인해서 분산이 발생했다. 따라서, Ag와 Cu가 특정상태에 있는 제2고도전성 성분영역의 양을 10∼60중량% 범위내로 하여야 한다.

[실시예 9 및 10 및 비교예 9 및 10]

실시예 1∼8과 비교예 1∼8에서는 모두 입경이 0.76㎛인 내호성 성분을 사용하였다. 내호성 성분의 입경은 재단특성의 최대치에 부분적으로 영향을 주었다. 즉, WC의 입경이 0.1∼5㎛의 범위내일때는(실시예 9 및 10), 재단특성의 상대치가 20이하였으며, 이러한 입경은 문제를 일으키지 않았다. WC의 입경 10, 44㎛(비교예 9 및 10)인 경우, 재단특성이 열화되었으므로, 접촉저항 특성은 분산되었다. 특히 입경이 44㎛일때 (비교예 10)는 조직전체의 균일성이 또한 저해되었다.

[실시예 11∼27]

실시예 1∼10은 내호성 성분으로서 주로 WC를 함유하는 조직에서, 고도전성 성분에 대한 제2고도전성 성분영역의 양이 재단특성과 접촉저항 특성에 미치는 효과를 나타낸 것이며 이러한 제2고도전성 성분영역의 효과는 다른 내호성 성분(실시예 11∼ 27)에 대해서도 얻어질 수 있음이 밝혀졌다.

내호성 성분의 대부분은 제1고도전성 성분에 의해 둘러싸여있다. 대량의 내호성 성분이 제2고도전성 성분내에 존재하는 경우, 접촉저항을 저수준으로 유지하는 역할을 하는 제2고도전성 성분의 경도가 증가하게 되고, 따라서 대량의 내호성 성분이 제2고도전성 성분내에 존재하는 것은 접촉저항에 불리하다. 또한, 제2도전성 성분으로부터의 Ag/Cu의 보급시에 잔존 내호성 성분이 탈락, 비산하여 내전압 특성의 저하를 야기시킨다. 따라서, 제2도전성 성분영역에 내호성 성분이 존재하는 것을 최소화하는 것이 불가결하다.

[표 1a]

[표 1b]

[표 1c]

[표 1d]

[표 2a]

[표 2a]

[표 3a]

[표 3b]

[표 3c]

[표 3d]

상기 실시예들로부터 명백히 알 수 있듯이 Ag와 Cu로 구성되는 고도전성 재료의 합계량(Ag+Cu)와, (Ag+Cu)량에 대한 Ag의 비율[Ag/(Ag+Cu)]을 소정치로 조절하고 WC등의 내호성 성분의 평균입경을 0.5∼1㎛로 하고, 또한 고도전성 성분중 제2고도전성 성분 영역의 양을 소정치로 조절함으로써 전류재단 특성을 저수준으로 유지할 수 있고, 분산을 감소시킬 수 있으며 접촉저항 특성도 동시에 충분히 저수준으로 유지할 수 있다. 본 합금에 대해 1% 미만의 Co(코발트)를 첨가하면, 소결성의 개선에 효과적이다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 다음과 같은 이점과 효과가 달성된다. 즉, 전류 재단특성을 저수준으로 유지할 수 있고, 또한 분산을 감소시킬 수 있다. 또한 접촉저항특성도 동시에 충분히 저수준으로 유지할 수 있다.

따라서, 본 발명의 접점배료를 진공밸브접점에 사용하면 전류재단 특성 및 접촉저항특성이 양호한 진공밸브를 얻을 수 있으며, 전류 재단특성의 안정성이 한층 더 향상된 진공밸브가 제공된다.

Claims

진공밸브용 접점재료에 있어서, Ag와 Cu로 되는 고도전성성분 25-65중량%와, [여기서, 상기 고도전성성분 Ag와 Cu의 총량에 대한 Ag의 비율[Ag/(Ag+Cu)]은 40∼80중량%임] Ti,V,Cr,Zr,Mo,W 및 이들의 탄화물 및 붕화물 및 이들의 혼합물로 되는 군에서 선택된 내호성 성분 35∼75중량%를 포함하며 상기 고도전성 성분은 (i) 두께 또는 폭이 5㎛ 이하인 제1불연속상과 그를 둘러싸는 제1매트릭스로 되는 제1고도전성 성분영역 및 (ⅱ) 두께 또는 폭이 5㎛ 이상인 제2불연속상과 이것을 둘러싸는 제2매트릭스로 되는 제2고도전성 성분영역으로 구성되고, 상기 제1고도전성 성분영역중의 상기 제1불연속상은 상기 제1매트릭스에서 5㎛ 이하의 간격으로 미세하고 균일하게 분산되있으며, 또한 전체 고도전성 성분량에 대한 상기 제2고도전성 성분영역의 양이 10∼60중량%의 범위내인 것이 특징인 진공밸브용 접점재료.
제1항에 있어서, 상기 내호성 성분의 평균입경이 0.1∼5㎛의 범위내이고, 내호성성분의 대부분이 제1고도전성 성분에 의해 둘러싸여있는 것이 특징인 진공밸브용 접점재료.
제1항에 있어서, 제1 및/또는 제2고도전성 성분영역을 구성하는 불연속상 및 매트릭스는 각각 (i)고도전성 성분의 매트릭스가 Cu를 용해시킨 Cu고용체로 된 경우에 상기 불연속상은 Ag를 용해시킨 Cu고용체로 된 것이거나 또는 (ⅱ) 상기 고도전성 성분의 매트릭스가 Ag를 용해시킨 Cu고용체로 된 경우에, 상기 불연속상이 Cu를 용해시킨 Ag 고용체로 된 것이 특징인 진공밸브용 접점재료.
진공밸브용 접점재료의 제조방법에 있어서, Ag와 Cu로 되는 고도전성 성분 25∼65중량와, [여기서, 상기 고도전성 성분 Ag와 Cu의 총량에 대한 Ag의 비율(Ag/Cu )]은 40-80중량%임] Ti,V,Cr,Zr,Mo,W 및 이들의 탄화물 및 붕화물 및 이들의 혼합물로 되는 군에서 선택된 내호성 성분 35∼75중량%를 포함하며 내호성 분말을 분말 성형체로 성형하는 스텝 ; 상기 성형체를 소결하여 내호성 재료의 골격을 얻는 스텝 ; 상기 골격의 공극에 고도전성 물질을 용침시키는 스텝 ; 및 상기 용침된 물질을 냉각시키는 스텝으로 구성되는 진공밸브용 접점재료의 제조방법.
제4항에 있어서, 상기 고도전성 성분은 (i) 두께 또는 폭이 5㎛ 이하인 제1불연속상과 그를 둘러싸는 제1매트릭스로 된 제1고도전성 성분영역 및 (ⅱ) 두께 또는 폭이 5㎛ 이상인 제2불연속상과 이것을 둘러싸는 제2매트릭스로 된 제2고도전성 성분영역으로 구성되며, 상기 제1고도전성 성분영역중의 상기 제1불연속상은 상기 제1매트릭스중에 5㎛ 이하의 간격으로 미세하고, 균일하게 분산시키고, 또한 고도전성 성분 총량에 대한 상기 제2고도전성 성분 영역의 양이 10∼60중량%의 범위내가 되게 하는 것이 특징인 진공밸브용 접점재료의 제조방법.
제4항에 있어서, 상기 내호성 성분의 평균입경이 0.1∼5㎛이고, 내호성 성분의 대부분이 제1고도전성 성분에 의해 둘러싸여 있는 것이 특징인 진공밸브용 접점재료의 제조방법.
제4항에 있어서, 제1 및/또는 제2고도전성 성분영역을 구성하는 불연속상 및 매트릭스는 (i) 고도전성 성분의 매트릭스가 Cu를 용해시킨 Ag고용체로 된 경우에, 상기 불연속상은 Cu를 용해시킨 Ag고용체로 된것이거나 또는 상기 고도전성 성분의 매트릭스가 Ag를 용해시킨 Cu고용체로 된 경우에, 상기 불연속상이 Cu를 용해시킨 Ag고용체로 된 것이 특징인 진공밸브공 접점 재료의 제조방법.